Vyuití POF v pístupových sítíchFAKULTA ELEKTROTECHNIKY A KOMUNIKANÍCH TECHNOLOGIÍ ÚSTAV TELEKOMUNIKACÍ
FACULTY OF ELECTRICAL ENGINEERING AND COMMUNICATION DEPARTMENT OF TELECOMMUNICATIONS
VYUITÍ POF V PÍSTUPOVÝCH SÍTÍCH
THE UTILIZATION OF POF IN ACCESS NETWORKS
BAKALÁSKÁ PRÁCE BACHELOR'S THESIS
VEDOUCÍ PRÁCE prof. Ing. MILOSLAV FILKA, CSc. SUPERVISOR
BRNO 2013
Ústav telekomunikací
Teleinformatika
Student: Ondej Doleal ID: 134473 Roník: 3 Akademický rok: 2012/2013
NÁZEV TÉMATU:
POKYNY PRO VYPRACOVÁNÍ:
Úkolem práce je seznámení se s POF vlákny, s jejich vlastnostmi a s moností jejich vyuití v pístupových sítích. Porovnejte jejich výhody a nevýhody s vlákny na bázi skla. Navrhnte metodiku práce s POF vlákny, vetn mení jejich parametr. Provete návrh cviného polygonu s vlákny POF, provete mení na sestavené síti a navrhnte návaznost POF sít na sí FTTH.
DOPORUENÁ LITERATURA:
[1] FILKA, M. Optoelektronika pro telekomunikace a informatiku. CENTA, Brno 2009. [2] TRULOVE, J. Sít LAN. Mc.Graw - Hill, N.Y. 2006. (eský peklad – Grada Publ.) [3] DAUM, V., KRAUSER, J., ZAMZOW, P. E., ZIEMANN, O. POF - Polymer optical fiber for data communication. Berlin, Springer 2009.
Termín zadání: 11.2.2013 Termín odevzdání: 5.6.2013
Vedoucí práce: prof. Ing. Miloslav Filka, CSc. Konzultanti bakaláské práce:
prof. Ing. Kamil Vrba, CSc. Pedseda oborové rady
UPOZORNNÍ:
Autor bakaláské práce nesmí pi vytváení bakaláské práce porušit autorská práva tetích osob, zejména nesmí zasahovat nedovoleným zpsobem do cizích autorských práv osobnostních a musí si být pln vdom následk porušení ustanovení § 11 a následujících autorského zákona . 121/2000 Sb., vetn moných trestnprávních dsledk vyplývajících z ustanovení ásti druhé, hlavy VI. díl 4 Trestního zákoníku .40/2009 Sb.
ABSTRAKT V rámci této práce se tená seznámí s plastovými optickými vlákny (POF). Nejprve jsou zmínny základy optického penosu. Dále jsou popsány základní vlastnosti a parametry POF, následuje historický vývoj, bliší popis jednotlivých typ POF, jejich dleité ped- nosti i nedostatky, srovnání se sklennými vlákny, práce, instalace, dostupné konektory a mení POF a shrnutí zásadních poznatk z praxe, vetn popisu ji realizovaných experiment a projekt. Druhá ást práce je zamena na vyuití POF v pístupových sítích. Naped jsou popsány souasné trendy v pístupových sítích, následuje pehled optických pístupových sítích a vysvtlení konceptu FTTX se zalenním POF vláken do uritých variant. Dále jsou popsány monosti POF vláken v segmentu lokálních sítí a jejich pipravenost na moderní síové sluby, jako je napíklad IPTV. Pedposlední kapitola zahrnuje návrh testovacího polygonu a závrená ást shrnuje veškeré poznatky a výsledky této práce.
KLÍOVÁ SLOVA POF, plastová optická vlákna, optický penos, lokální sít, pístupové sít, FTTH
ABSTRACT In this work, the reader familiares with plastic optical fiber (POF). Firstly are mentioned the basics of the optical transmission. Then there are the main features and parameters POF and a historical overview, detailed description of the types of POF, their impor- tant strengths and weaknesses, comparison with glass fiber, installation, available POF connectors and procedure of measurements and a summary of key findings from the practice, including a description of existing experiments and projects. The second part focuses on the use of POF in access networks. There are described present trends in access networks, an overview of optical access networks and explai- nation the concept with the inclusion of POF in optical networks (FTTX). Furthermore, there are possibilities of POF fibers in segment of local networks and their readiness for advanced network services, such as IPTV. The penultimate chapter contains design test polygon and final part summarizes all findings and results of this work.
KEYWORDS POF, Plastics optical fibers, optical transmission, access network, FTTH
DOLEAL, Ondej Vyuití POF v pístupových sítích: bakaláská práce. Brno: Vysoké uení technické v Brn, Fakulta elektrotechniky a komunikaních technologií, Ústav te- lekomunikací, 2013. 55 s. Vedoucí práce byl prof. Ing. Miloslav Filka, CSc.
PROHLÁŠENÍ
Prohlašuji, e svou bakaláskou práci na téma „Vyuití POF v pístupových sítích“ jsem vypracoval samostatn pod vedením vedoucího bakaláské práce a s pouitím odborné literatury a dalších informaních zdroj, které jsou všechny citovány v práci a uvedeny v seznamu literatury na konci práce.
Jako autor uvedené bakaláské práce dále prohlašuji, e v souvislosti s vytvoením této bakaláské práce jsem neporušil autorská práva tetích osob, zejména jsem nezasáhl nedovoleným zpsobem do cizích autorských práv osobnostních a/nebo majetkových a jsem si pln vdom následk porušení ustanovení S 11 a následujících autorského zá- kona . 121/2000 Sb., o právu autorském, o právech souvisejících s právem autorským a o zmn nkterých zákon (autorský zákon), ve znní pozdjších pedpis, vetn moných trestnprávních dsledk vyplývajících z ustanovení ásti druhé, hlavy VI. díl 4 Trestního zákoníku . 40/2009 Sb.
Brno . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . (podpis autora)
PODKOVÁNÍ
Rád bych podkoval vedoucímu bakaláské práce panu prof. Ing. Miloslavu Filkovi, CSc. za odborné vedení, konzultace, trplivost a podntné návrhy k práci a panu Ing. Janu Šporikovi za metodické rady a pomoc s praktickou realizací v laboratoi.
Brno . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . (podpis autora)
Úvod 10
1 Základy POF 11 1.1 Historie a vývoj . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 1.2 Princip optického penosu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 1.3 Ztráty optického vlákna . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 1.4 Rozdlení POF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.4.1 Vlákna POF se skokovou zmnou indexu lomu (SI-POF) . . . 15 1.4.2 Vlákno POF se sníenou hodnotou numerické apertury (Low
NA-POF) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 1.4.3 Vlákno POF s dvojitým skokovým indexem lomu (DSI-POF) . 17 1.4.4 Vlákno POF s mnohonásobným skokovým indexem lomu (MSI-
POF) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 1.4.5 Vlákno POF s mnoha jádry (MC-POF) . . . . . . . . . . . . . 18 1.4.6 Vlákna POF s promnou zmnou indexu lomu (GI-POF) . . . 18
1.5 Srovnání se sklennými vlákny . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2 Práce s POF 22 2.1 Instalace . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 2.2 Konektory a spojování . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.2.1 Pehled konektor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 2.2.2 Bezkonektorová ešení . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.3 Mení . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
3 Vyití POF v pístupových sítích 25 3.1 Stávající ešení pístupových sítí . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 3.2 Varianty optických pístupových sítí . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
3.2.1 Sí typu bod-bod (PTP) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 3.2.2 Sí typu bod-multi bod (PTMP) . . . . . . . . . . . . . . . . 26 3.2.3 Aktivní optická sí (AON) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 3.2.4 Pasivní optická sí (PON) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
3.3 Zalenní POF vláken do konceptu FTTX . . . . . . . . . . . . . . . 27 3.4 Topologie optické pístupové sít . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
3.4.1 Varianta FTTH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 3.4.2 Varianta FTTB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3.5 Domácí a lokální sít . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 3.6 Porovnání parametr POF s metalickou kabeláí . . . . . . . . . . . . 33
4 Testovací polygon 35 4.1 Aktivní prvky . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
4.1.1 Jednotka ONU . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 4.1.2 Jednotka OLT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 4.1.3 POF pepína . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 4.1.4 POF pevodník . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 4.1.5 Poíta typu server . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 4.1.6 Poíta typu klient . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
4.2 POF vlákno . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 4.3 Zapojení polygonu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 4.4 Mení síových parametr . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
4.4.1 Testování IPTV . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 4.4.2 Mení zpodní signálu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
4.5 Mení mechanických a penosových parametr . . . . . . . . . . . . 39 4.5.1 Vliv nástroj na kvalitu zakonení konce vlákna . . . . . . . . 39 4.5.2 Stanovení útlumu optické spojky . . . . . . . . . . . . . . . . 40 4.5.3 Pípravek OPTEL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 4.5.4 Makroohyby vlákna . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 4.5.5 Mikroohyby vlákna . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 4.5.6 Zkouška perušení komunikace . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
5 Závr 49
Seznam píloh 54
A Obsah DVD 55
SEZNAM OBRÁZK 1.1 Šíení svtelného paprsku optickým vláknem. . . . . . . . . . . . . . . 12 1.2 Schéma obecného optického spoje. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 1.3 Šíení paprsk svtla v SI-POF vláknu. . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 1.4 Útlumová charakteristika SI-POF vlákna . . . . . . . . . . . . . . . . 16 1.5 Šíení paprsk svtla v GI-POF vláknu. . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 1.6 Srovnání velikosti prmru POF a vláken na bázi skla . . . . . . . . . 20 3.1 Návrh pístupové sít s vyuitím sklenných a POF vláken. . . . . . . 28 3.2 Sí FTTH s vyuitím POF vláken v lokální síti. . . . . . . . . . . . . 29 3.3 Schéma sít FTTB s vyuitím POF vláken v lokální síti. . . . . . . . 31 3.4 Lokální sí s POF a napojením na pístupovou sí. . . . . . . . . . . . 32 4.1 Testovací polygon s vyuitím POF vláken. . . . . . . . . . . . . . . . 35 4.2 POF pepína OPTOKON OPSW-24-OL2. . . . . . . . . . . . . . . . 37 4.3 Zapojení ásti testovacího polygonu ve stojanu. . . . . . . . . . . . . 38 4.4 Zakonení POF vlákna pomocí rzných nástroj. . . . . . . . . . . . 40 4.5 Duplexní spojka typu OptoLock. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 4.6 Zapojení pracovišt s pípravkem OPTEL. . . . . . . . . . . . . . . . 41 4.7 Graf závislosti útlumu optického výkonu na oddalování vláken. . . . . 42 4.8 Graf závislosti útlumu optického výkonu na úhlové odchylce. . . . . . 43 4.9 Graf závislosti útlumu optického výkonu na píné odchylce. . . . . . 44 4.10 Graf závislosti útlumu na polomru ohybu a potu ohyb. . . . . . . 45 4.11 Graf závislosti útlumu na potu zkrut. . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 4.12 Pípravek pro vytváení mikroohyb a dvojce POF pevodník. . . . 47
SEZNAM TABULEK 4.1 Úrovn signálu pro rzné nástroje pouitých pi zakonení POF vlákna 40 4.2 Závislost útlumu na oddalování konc vláken. . . . . . . . . . . . . . 42 4.3 Závislost útlumu na úhlové odchylce konc vláken. . . . . . . . . . . . 43 4.4 Závislost útlumu na píné odchylce konc vláken. . . . . . . . . . . . 44 4.5 Závislost útlumu na prmru ohybu a potu ohyb. . . . . . . . . . . 45 4.6 Závislost útlumu signálu vlivem kroucení vlákna . . . . . . . . . . . . 46
ÚVOD Optická vlákna jsou nedílnou souástí moderních telekomunikaních sítí. Ji mnoho let jsou ve velkém vyuívána na dálkových a vysokorychlostních trasách. Práv pe- nos velkého mnoství dat na velkou vzdálenost bylo hlavním dvodem nasazování optických vláken místo metalického vedení.
Postupem asu ale nastala otázka, jak kvalitativn navyšovat penosové kapacity blíe zákazníkovi. Z tohoto pohledu je koncepce optických pístupových sítí velmi dleitá, protoe moderní síové sluby, které zákazník vyaduje musí mít oporu v dostaten kvalitní síové infrastruktue.
Pestoe náklady na výstavbu optických sítí stále klesají, poád pedstavují zna- nou pekáku k rychlejšímu rozvoji v oblasti pístupových sítí a je tedy nutné hledat úspornjší zpsob ešení problému poslední míle. Druhá velká oblast potenciálu je otázka domácích sítí, kde v souasné dob dominují metalická vedení, která s ná- stupem moderních slueb, jako je televize ve vysokém rozlišení (HDTV), pestávají kapacitn stait.
POF vlákna se zdají být do budoucna velmi kompaktním ešením, které by ešilo mnohé kritické problémy souasných sítí a které dostupné technologie a prostedky nedokáí úinn ešit. Poslední roky vývoje jsou ve znamení „optiky do domu“, tedy modernizace pístupové sít pomocí optických vláken. Vlákna POF by mohla do bu- doucna pedstavovat koncept „optika na stl“ a tím zcela nahradit strukturovanou kabelá v poítaových sítí.
Tato bakaláská práce má za cíl seznámit se základními vlastnostmi POF vláken, jejich pednostmi i nedostatky, srovnat parametry se sklennými vlákny a ukázat praktické monosti instalace a pouití, pedevším pak v oblasti pístupových a lo- kálních sítí. Jeliko v uvedeném segmentu stále pevládá metalická strukturovaná kabelá, v práci je také popsáno, jaké jsou rozdíly vi POF. V rámci práce je také navrhnut testovací polygon, který by ml v praxi slouit k seznámení POF vlákny a také je nastínno spolené pouití plastových vláken a pasivních optických sítí.
Závr je vnován konenému posouzení POF vláken a jejich budoucí vývoj.
10
1 ZÁKLADY POF Plastové nebo nkdy té polymerové optické vlákno (anglicky Polymer pop. Plastic Optical Fiber, zkrácen POF) je druh optického vlákna, vyrobeného z umlé hmoty (polymeru). Práv materiál vlákna peván uruje další parametry penosu signálu, popsaných dále.
1.1 Historie a vývoj První plastová optická vlákna byla vyrobena ji v 60. letech 20. století. Vzhledem k nedokonalostem výroby a pouitým materiálm byly parametry tchto vláken velmi omezující pro praktické pouití, napíklad útlum dosahoval a 1000 dB/km. V prbhu sedmdesátých let se podailo útlum vláken sníit a k hodnot 125 dB/km pi pouití vlnové délky 650 nm [3].
V tée dob se zaaly rozšiovat sklenná optická vlákna u který se útlum po- hyboval okolo 1 dB/km, pro vlnové délky 1300 a 1500 nm. Sklenná optická vlákna poskytovala ohromné penosové kapacity, velký dosah, pijatelnou cenu a širokou dostupnost. Na dálkových penosových trasách se tak sklenná optická vlákna do- stala do jasn vedoucí pozice. V segmentu lokálních sítí naopak jasn dominovalo metalické vedení. Koaxiální a pozdji kroucené páry vodi poskytovaly dostatené parametry a vzhledem k nízké cen byly široce rozšíené.
V této situaci bylo pochopitelné, e plastová vlákna nemla vbec jednoduchou pozici a trh pro n nedokázal najít perspektivní uití. Jejich vývoj se tak velmi zpomalil na mnoho let.
Druhou vlnu zájmu o POF lze vysledovat v poátcích 90. let, kdy nastává glo- bální vzestup informaních technologií a tím i poptávky po navyšování penosových kapacit. Záhy se ukázalo, e se otvírají zcela nová odvtví prmyslu, kde by se mohla POF uchytit. Jedním takovým byl automobilový prmysl, kde byla velká poptávka po nových materiálech s lepšími parametry.
V roce 1992 se konala International Conference for Polymer Fibers and Apli- cation na které bylo pedstaveno mnoho nových a slibn se rozvíjejících projekt, které mly záhy urit smr vývoje. V následujících letech zájem o POF vlákna opt narstal a brzy se zaaly objevovat první výsledky. Zhruba po roce 2000 se mnohé parametry natolik zlepšily, e se dá mluvit o konkrétních ešení které je mono ihned pouívat.
11
1.2 Princip optického penosu POF vlákna, podobn jako sklenná optická vlákna slouí k vhodnému vedení pa- prsku svtla, který nese informaci. Plastové optické vlákno je optický vlnovod, vy- robený z prsvitného polymeru. Vlákno je sloeno ze dvou ástí, z jádra a plášt.
Z pohledu optického penosu je vyuíváno tzv. totálního odrazu svtla, kdy je dopadající paprsek zcela odraen na rozhraní dvou prostedí s rozdílnou hodnotou indexu lomu. Index lomu n je bezrozmrná veliina, která popisuje šíení svtla v látkách. Vztah
=
, (1.1)
vyjaduje pomr rychlosti svtla ve vakuu c k rychlosti svtla v daném materiálu v. Aby byla splnna podmínka totálního odkazu, musí být index lomu jádra 1
vyšší hodnoty ne index lomu plášt 2 [1]. Platí tedy následující vztah:
1 > 2. (1.2)
Dalším dleitým parametrem je Numerická apertura, zkrácen NA, která popi- suje úinnost pechodu paprsku ze zdroje záení do optického vlákna, pop. pechod mezi dvma vlákny, nebo vláknem a detektorem záení. Je dána vztahem:
= sin Θ = √
2 1 − 2
2. (1.3)
Paprsky vstupující do vlákna musejí být navázány pod úhlem menším ne Θ. V opaném pípad nedojde k totálnímu odrazu a paprsek se láme pod uritým úhlem do plášt. U POF vláken není pelivé navázání paprsku do vlákna tak písn vyadováno jako u vláken na bázi skla, nicmén nesprávným navázáním vzniká ne- ádoucí vloný útlum, který nepízniv ovlivuje penos signálu vláknem.
Správné šíení svtelného paprsku v optickém vlákn zachycuje obrázek 1.1. Úhel dopadu a odrazu paprsku je oznaen jako Θ.
jádro
12
Optický spoj na obrázku 1.2 obsahuje ti základní celky: vysíla, penosové pro- stedí (v tomto pípad optické vlákno) a pijíma. Vysíla je tvoen zdrojem svtla (luminiscenní dioda nebo laser), který je modulován v optickém modulátoru. Na ten je piveden vstupní elektrický signál z obvod pro zpracování signálu. Modulovaný signál je posílán do bloku vysílae optického systému.
Pes vstupní konektor je paprsek navázán do optického vlákna. Na pijímací stran je opt pítomen konektor, dále následuje fotodetektor na kterém je zachyceno svtlo a pevedeno opt na elektrický signál. Ten je vhodn zpracován a pedán dál jako výstupní signál.
Výše uvedený princip realizuje komunikaci pouze jedním smrem, pokud po- tebujeme penášet souasn komunikovat obousmrn (duplexn) je poteba všech ástí vysílae i pijímae na kadé stran penosu. U POF vláken je toto ešeno po- uitím dvma samostatnými vlákny, jedno pro vzestupný smr a druhé pro sestupný smr komunikace.
Zdroj svtla Modulátor Fotodetektor Píjíma opt. sys
Vysíla opt. sys
Obr. 1.2: Schéma obecného optického spoje.
1.3 Ztráty optického vlákna Na zaátku vlákna je zdroj záení který vytváí svtlo. Paprsky svtla jsou navázány do vlákna a mají uritou úrove výkonu. S pibývající vzdáleností od tohoto zdroje svtlo ztrácí svoji energii a tím narstá útlum.
Obecn lze útlum ve vlákn popsat vztahem
= vyst
vst [ ], (1.4)
ten vyjaduje pomr, mezi výkonem na konci vlákna vyst a zaátku vlákna vst v jednotkách výkonu Watt [2].
13
= 10 log vyst
vst []. (1.5)
Útlum v dB je v tomto pípad vztaen k hodnot výkonu 1 mW. V oblasti optických penos je dleité vyjádit útlum signálu s ohledem na vzdálenost penosu. Tímto vyjádením je mrný útlum, ten udává pomr útlumu signálu vi délce optického vlákna. Obecnou jednotkou je dB/km pop. dB/m.
Útlum signálu me nastat z více píin. První oblastí je vloný útlum, který je zpsobován rznými ástmi optického spoje, nap. pechodem paprsku ze vzduchu do vlákna, spoj mezi konektorem a vláknem, spoj mezi vláknem a jiným vláknem. Tyto ztráty nelze zcela odstranit, lze je pouze minimalizovat tak, e zvolíme vhodné komponenty, které vykazují co nejmenší vloný útlum.
Druhou oblastí jsou ztráty zpsobené fyzikálními, geometrickými a výrobními vlastnostmi vlákna. Zde záleí na více faktorech jak minimalizovat ztráty. Tento druh je ztrát je moné dlit na následující [1]:
• Ztráty ohybem. Tento typ ztrát vzniká ohýbáním vlákna a tím vzniknutí vtšinou neádoucích ohyb. Ohyb vlákna zpsobuje porušení podmínky úpl- ného odrazu svtla, protoe ohyb vyvíjí tlak na vlákno a tím zpsobuje zmnu indexu lomu plášt a jádra. U POF vláken jde o typ ztrát s nejvtším dopa- dem. Kompenzace je moná. Zvolíme velké polomry ohybu, pi návrhu trasy nebo pouijeme vlákna s dvojitým indexem lomu tzv. DSI-POF.
• Ztráty rozptylem. Rozptyl zpsobují neistoty a nehomogenity vzniklé pi výrob vlákna. Kdy paprsek svtla dorazí na pekáku na své trajektorii, ást jeho energie se vyzáí mimo pvodní trasu a dojde k poklesu úrovn výkonu. Dlení je následující:
1. Rayleigho rozptyl – Vzniká tepelnými kmity krystalické míky. Nelze dostaten odstranit
2. Mienv rozptyl – Je zpsoben mikroskopickými bublinkami, naptím a nedokonalostmi ve vlákn, srovnatelnými s pouitou vlnovou délkou.
3. Rozptyl na neistotách – Podobný rozptyl jako Mienv, ale velikost ne- istot je vetší ne vlnová délka.
• Ztráty absorpcí. Jedná se o jev, kdy se elektromagnetická energie mní na tepelnou. Je moné dlit na:
1. Vlastní absorpce – Je neodstranitelná a záleí na pouité vlnové délce a materiálu. U POF vláken pomrn zanedbatelná.
2. Pímsová absorpce – Zpsobují ji volné molekuly látek ve vlákn. Nej- astji se jedná o vodní ionty (OH). Dsledkem je vznik mikrotrhlin a tím narušení celistvosti vlákna. Volné ionty OH také zapíiují vysoký nárst útlumu na uritých vlnových délkách.
14
• Ztráty disperzí. Spíše ne útlum, zpsobuje disperze rozprostení energie paprsku v ase, dojde tedy ke zkreslení penášeného signálu. POF vlákna jsou disperzí do jisté míry ovlivována, záleí na konkrétním druhu disperze:
1. Módová disperze – Ve vlákn se jednotlivé módy šíí po rzn dlouhých délkách, to znamená, e as, který je poteba k šíení není stejný. Do- jde tak k rozšíení vstupního pulzu. Týká se mnohavidových optických vláken, tedy i POF.
2. Chromatická disperze – Je zaloena na kmitotové závislosti indexu lomu. To znamená, e jednotlivé frekvence se ve vlákn šíí po rzných optických trasách. Napíklad u vláken ze sloueniny PMMA me asový rozdíl dosahovat a 25 ns na 100 metr. K chromatické disperzi je poteba ješt pidat materiálovou disperzi, která má podobný zpsob vzniku a je závislá na materiálu vlákna.
3. Vidová disperze – Je zpsobena rozdílnou rychlostí šíení jednotlivých vid ve vlákn.
1.4 Rozdlení POF
1.4.1 Vlákna POF se skokovou zmnou indexu lomu (SI- POF)
SI-POF (Step Index POF) vlákna pedstavují vývojov nejstarší typ POF vláken, první pokusy o výrobu byly provedeny ji v 70. letech 20. století. V roce 1988 se podailo penést na vzdálenost 20 metr data rychlostí 20 Mb/s a následn v roce 1990 navýšit rychlost penosu a na 140 Mb/s. Útlum vlákna zaínal kolem 300 dB/km a postupn klesal a k dnešním hodnotám, bn kolem 60 dB/km. [3].
Paprsek se ve vlákn šíí skokov. To je zpsobeno rozdílnou hodnotou indexu lomu jádra a plášt. Princip šíení je zobrazen na obrázku 1.3.
jádro
Pevaující výrobní slouenina je PMMA (Polymethylmethakrylát). Prvotní uplatnní SI-POF bylo v automobilovém prmyslu (standard MOST) a
15
prmyslové automatizaci (standard PROFINET). Následn došlo k rozšíení i do spotební elektroniky a telekomunikací.
Vlákno se skládá z jádra, které má typické rozmry 990 m a index lomu 1,492 (pop. rzné varianty a do hodnoty 1,50). Zbytek vypluje opláštní s prmrnou tloušku 10 m a indexem lomu 1,412. Vtšina vláken obsahuje jednoduchou ochranu s tlouškou v ádu nkolika milimetr. Útlumová charakteristika je vykreslena v grafu na obrázku 1.4, podle [5].
Obr. 1.4: Útlumová charakteristika SI-POF vlákna
Ve výše uvedeném grafu jsou zobrazena ti útlumová okna, na kterých má vlákno nejmenší útlum a tudí jsou pedn vyuívána pro penos. Konkrétn jde o 520 nm (zelená), 560 nm (lutá) a 650 nm (ervená). Jako zdroj svtla se pouívají LED diody, které jsou jednoduché na výrobu a velmi levné. Jejich vyzaovací charakteris- tika je oproti laseru pomrn široká a pesnost nosné vlnové délky je ± 10 nm. POF vlákna obecn jsou mnohavidová, poet vid je uren typem zdroje a vlastností vlákna.
Vlákna SI-POF mají Numerickou aperturu (NA) nejastji kolem hodnoty 0,5, proto jsou také známé pod oznaením NA-POF nebo standardní POF. Vzhledem k velkému prmru jádra a vysoké Numerické apertue má tento typ vlákna šíku penosového pásma omezenou na hodnotu 40 a 50 MHz pi délce vlákna 100 m. Vhodnost pro datové penosy je omezená také vzhledem k znatelné disperzi signálu. Dosaené penosové rychlosti jsou standardn do 100 Mb/s a další navyšování je problematické bez pouití pokroilejšího typu modulace.
Napíklad ve spolenosti KDPOF realizovali bezchybný penos o rychlosti 1 Gb/s na standardních SI-POF vláknech o délce 50 metr. Tento pokus prokazuje, e i nejjednodušší a tím i nejlevnjší varianty POF vláken mohou dosahovat dobrých výsledk [17].
16
Budoucí vývoj se zamuje na rzné modifikace SI-POF vláken a nebo rovnou na zcela jiný druh GI-POF. Postupn se objevily tyto modifikace SI-POF vláken [3]:
1.4.2 Vlákno POF se sníenou hodnotou numerické aper- tury (Low NA-POF)
Pvodní zámr byl pouít tento typ vláken pro penos technologie ATM (Asynchro- nous Transfer Mode) v rámci lokálních sítí. Hlavní vlastností je sníení NA na 0,3 a tím navýšení šíky penosového pásma na 100 MHz na 100 metr. V praktických testech se ale ukázalo, e na tomto typu vlákna nelze dostaten spolehliv realizo- vat penos, z dvod vysoké citlivosti na mechanické ohyby vlákna a tím i nárst útlumu vlákna.
1.4.3 Vlákno POF s dvojitým skokovým indexem lomu (DSI- POF)
Vlákno DSI-POF (Double Step Index POF) má dv vrstvy plášt, vnitní a vnjší. Svtlo se láme na jednom, nebo druhém plášti v závislosti na polomru ohybu. Díky tomu není porušen zákon úplného odrazu paprsku, který je pro správné šíení paprsku vláknem nezbytné dodret. Tento princip eší problém píliš vysokých ztrát ohybem, které byly u Low NA-POF. Na druhou stranu zde je problém vyššího útlumu vlivem dvojitého plášt a také vliv disperze signálu pi velkém potu ohyb na dlouhém vláknu. Jako u pedchozího typu Low NA-POF je sníená numerická apertura na hodnotu kolem 0,30. Šíka penosového pásma je 100 MHz do vzdálenosti 100 metr. Vzhledem k dostaující šíce pásma a nízké disperzi signálu na kratší vzdálenost, se DSI-POF zdají ideálním vláknem do lokálních sítí.
1.4.4 Vlákno POF s mnohonásobným skokovým indexem lomu (MSI-POF)
Prmr MSI-POF (Multi Step Index POF) vlákna je 990 m. Jedná se o nkolik (bn 4 a 7) vrstev jádra nad sebou. Cílem bylo dosáhnout lepších výsledk ne pedchozí typ vláken DSI-POF pi udrení jednoduché výrobní technologie a zárove se piblíit k lepším parametrm GI-POF vláken. Hodnota numerické apertury je v rozmezí 0,25 a 0,30, piem je ale docíleno širšího penosového pásma, a 500 MHz na vláknu délky 100 metr.
17
1.4.5 Vlákno POF s mnoha jádry (MC-POF)
Ve vlákn MC-POF (Multi Core POF) jsou desítky i stovky jader které vykazují vlastnosti standardních jader u SI-POF vláken. Tyto vlákna mají opt sníenou NA na hodnotu 0,30. Výhodou je malý polomr ohybu 3 mm. Šíka pásma je 100 Mhz. Existuje kombinace DSI-MC-POF, tedy vlákno s mnoha jádry a dvojitým skokovým indexem lomu. U této varianty se podailo navýšit šíku pásma pro penos a na 700 MHz na 50 metr, umoující gigabitové penosy. Kvli náronosti pi výrob se tento typ pouívá velmi omezen.
1.4.6 Vlákna POF s promnou zmnou indexu lomu (GI- POF)
Vlákna GI-POF (Graded Index POF) mají promnou (gradientní) zmnu indexu lomu svtla, to znamená, e index lomu se sniuje v závislosti na vzdálenosti od stedu osy jádra k plášti vlákna. Paprsek svtla se nešíí skokov, ale ve tvaru pa- raboly (více paprsk tak vytváí elipsy). Hlavní výhodou GI-POF vláken je sníení vidové disperze a tím i navýšení dostupné šíky pásma.
Pro lepší pedstavu je na obrázku 1.5 zobrazeno šíení paprsk svtla v GI-POF vláknu.
jádro
Obr. 1.5: Šíení paprsk svtla v GI-POF vláknu.
U vláken zaloených na slouenin PMMA se hodnota útlumu pohybuje kolem 200 dB/km a kvli tomu se pedpokládá dosah v desítkách metr. Lepších výsledk lze dosáhnout díky vláknm které jsou vyrobeny z fluorovaných polymer (tzv. PF- GI-POF). Tyto vlákna mohou mít útlum sníen a k hodnot 20 dB/km a šíku pásma piblin 2 GHz na 100 metr. Takté je minimalizován dopad chromatické disperze na penos a lze tak poítat s rozvojem výroby mnohavidových vláken, pop. nasazení tchto vláken do vlnových multiplex.
Pi vzdálenostech do 100 metr se dá s GI-POF vlákny realizovat penos o rych- losti 1 Gb/s a experimentáln se podailo dosáhnout a 10 Gb/s [4]. Numerická aper- tura má podobnou hodnotu, jako novjší typy SI-POF vláken, tedy 0,2 nebo 0,3 [13].
18
Nejmenší útlum GI-POF vláken je na hodnotách vlnových délek 650 nm a 850 nm. Nov se také zaalo pouívat pásmo kolem 1200 nm a hlavn 1300 nm, na kterém je dosaeno nízkého útlumu 15 dB/km a lze tak dosahovat penosové rychlosti v ádu nkolika gigabit za sekundu.
Vzhledem k píznivým vlastnostem GI-POF vláken se mnoho experiment a vý- vojových projekt zamuje práv na tento typ vláken. Následuje zmínka nkterých z nich:
V experimentálním návrhu zmínném v [6] je napíklad pouito singlemode vlákno nasvícené svtelným paprskem o vlnové délce 1317 nm, délce spoje 20 km pro peklenutí nejdelší vzdálenosti k zákazníkovy a 50 m dlouhé GI-POF vlákno s útlumem menší je 20 dB/km a šíkou pásma pes 1,1 GHz, zdroj ml vlnovou délku 1317,26 nm.
Další experiment [11], poítá s vyuitím spojové vrstvy Gigabit Ethernet pro penos a tím i snazší implementací do stávajících sítí postavených na technologii Ethernet. Bylo pouito GI-POF vlákno, sloené ze tí úsek délky 330 metr, cel- kem 990 metr. Vlákno bylo nasvíceno svtlem o vlnové délce 840 nm pomocí VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser) laserem, poskytující šíku pásma 2 GHz. Vlákno bylo zakoneno pijímaem s fotodiodou a za ním mící aparaturou. Vý- sledky byly tyto: dosaená penosová rychlost 1,25 Gb/s, chybovost penosu (BER) 10−9, celkový útlum trasy 27 dB/km.
Experiment s PF-GI-POF vláknem, konkrétn typem CYTOP dokázal vhod- nost tohoto typu vlákna na budoucí vysokorychlostní penosy. Bylo dosaeno hod- noty 7 Gb/s na vzdálenost 80 metr. Zdroj záení VCSEL laser ml výstupní výkon 4,5 mW pi vlnové délce 930 nm, jádro vlákna mlo prmr 155 m.
Ješt rychlejší penos oznámila v roce 2006 skupina komerních subjekt na- zvaná POF@10G [12]. Na délce 100 metr GI-POF vlákna byla namena rychlost 10 Gb/s. V budoucnu by mohlo dojít k postupnému nahrazení souasného standardu 10GBase-T který vyuívá metalických spoj práv GI-POF vlákny které mohou být levnjší alternativou s lepšími parametry. Vysokorychlostní spojení na krátkou vzdá- lenost, v ádu metr, se vyskytuje pedevším v datových a propojovacích centrech telekomunikaních operátor. Nasazení GI-POF vláken by mohlo pinést znané fi- nanní úspory. Sdruení POF@10G dokonce odhaduje, e by se takto dalo ušetit a 75% výdaj za spotebu elektrické energie a 50% poizovací ceny oproti kabelm na bázi mdi. Z technického hlediska byl tento experiment podobný tomu z pedchozího odstavce. VCSEL laser naladný na vlnovou délku 850 nm na jedné stran vlákna a na druhé pijíma vylepšený o systém kontroly disperze (Electronic Dispersion Control, EDC).
V roce 2011 se podailo v rámci projektu Evropské unie, nazvaném POF-PLUS dosáhnout na 50 metrech rychlosti 1 Gb/s a na 35 metrech dokonce a 10 Gb/s
19
s vyuitím DMT (Discrete MultiTone) modulace [15]. Výsledk bylo dosaeno s bn dostupnými komponenty. Zdrojem byla VCSEL laserová dioda s výstupním výkonem 7 dBm na vlnové délce 650 nm. Namená šíka pásma byla 2,5 GHz.
Jak je vidt z pedchozích poznatk GI-POF vlákna budou pevládat v oblasti pro vysokorychlostní penosy v ádu jednotek, i desítek gigabit za sekundu. Úspš- ným pedpokladem je i vývoj vhodných zdroj záení, které dokáí vyuít potenciálu GI-POF vlákna. V neposlední ad je poteba myslet na cenu, která by nemla pe- sáhnout cenu ešení na bázi sklenných vláken, v opaném pípad nemohou POF vlákna konkurovat.
1.5 Srovnání se sklennými vlákny Sklenná i plastová optická vlákna vyuívají stejný princip penosu informací pomocí optického paprsku, který byl popsán ji díve v kapitole 1.2. Nicmén zde existuje nemálo parametr které jsou pro kadý z uvedených typ vláken typických a urují oblast pouití.
Pibliné srovnání rozmr obou dvou typ vláken je znázornno na obrázku 1.6. Modrá barva pedstavuje pláš a lutá jádro vlákna:
1000 μm
980 μm
125 μm
50 μm
125 μm
Jednovidové sklenné optické vlákno
Obr. 1.6: Srovnání velikosti prmru POF a vláken na bázi skla
Pehled vlastností, které oba typy vláken sdílí: • Odolnost vi vnjšímu elektromagnetickému rušení. • Odstranní problému s uzemnním. • Mnohonásobn vetší šíka pásma oproti metalickému vedení.
20
• Mnohonásobn menší mrný útlum na jednotku vzdálenosti ne metalické ve- dení.
• Jednoduší údrba a delší ivotnost.
POF vlákna mají ve srovnání se sklennými tyto rozdíly [1], [3]: • Prmr celého vlákna je vtší. Jádro a pláš vlákna mají celkový prmr bn
1 mm, piem jádro zaujímá vtšinu, zhruba 980 m. • Útlum je mnohonásobn vetší. V souasné dob se pohybuje od 10 do 200
dB/km v závislosti na pouitém materiálu, výrobním procesu, zdroji záení a vhodné vlnové délce. Pro srovnání: bné jednovidové sklenné vlákno vyka- zuje pi vlnové délce 1310 nm útlum 0,2 dB/km.
• S útlumem je spojena i délka vlákna která je pípustná pro bezchybný pe- nos. U POF vláken pedpokládáme délku penosové trasy v ádech desítek, max, nkolik stovek metr. Vtšina souasných ešení je urena pro penos na vzdálenost maximáln 100 metr.
• Práce s POF vlákny nevyaduje odborných znalostí a speciálních nástroj (nap. pi spojování vláken, rzné spojky a ukonovací vlákna) jako je tomu u sklenných vláken. Instalace i spojování vlákna piblin odpovídá práci s metalickými vodii.
• Materiálová prunost je vtší. POF vlákno je prunjší a dovoluje ohnutí pod vtším úhlem.
• Teplotní odolnost POF vláken je a 200 °C. • U POF vláken pevauje duplexní provedení kabel, konektor i vysíla. Zna-
mená to tedy, e penosový systém pouívá prostorové dlení komunikace, kdy jedno vlákno je vyhrazeno pro sestupný smr komunikace a druhé vlákno pro vzestupný smr, ve smru od nebo k uivateli. Toto ešení je jednoduší a vzhle- dem k povaze nasazení POF i dostaující.
• Jako zdroje záení jsou pouity levnjší LED (Light Emitting Diode) diody.
Z výše uvedeného je patrné, e oblasti vyuití obou typ vláken jsou a na malé výjimky zeteln rozdílné. POF vlákna nemají v ádném pípad nahradit stávající vlákna na bázi skla. Ty mají pedevším v dálkových, páteních a vysokokapacitních trasách zcela nezastupitelnou roli.
Naopak, POF budou dominovat v komunikaci na krátkou vzdálenost, v desít- kách, maximáln stovkách metr. Ideální instalace POF vláken je v pípad lokálních sítí s provázáním na pístupové sít.
21
2 PRÁCE S POF
2.1 Instalace Jednou z hlavních výhod POF vláken je jejich snadná instalace i bným uivatelem, bez nutného odborného proškolení, jak by tomu mlo být u vláken na bázi skla. Prmr samotného plastového vlákna je kolem 1 mm. Dále je zde vrstva zajišující ochranou funkci, tlouška je bn 1 a 4 mm. Nejastji se lze setkat s duplexním provedením, to znamená e pro kadý smr penosu je vyhrazeno samostatné vlákno. Ob tyto vlákna jsou vzájemn spojena a tvoí tak kabel.
Pokud uvaujeme nasazení v lokálních sítích, jsou prostorové nároky piblin tetinové oproti metalické kabelái, kterou je v souasnosti nejbnjší kategorie Cat5e. POF vlákna mohou být snadno nainstalována ve stejných trasách jako stáva- jící kabelové rozvody, a ji zmínné Cat5e nebo koaxiální vedení kabelové televize nebo anténního rozvodu v dom.
2.2 Konektory a spojování POF vlákno me být zakoneno mnoha rznými konektory, spojky nebo lze vlákno ponechat bez konektoru. Stejn jako u sklenných optických vláken, existuje mnoho typ konektor, které se liší jak svým provedením, tak technickými parametry a v neposlední ad i cenou. Jeden z hlavních poadavk na konektory pro POF vlákna je jednoduchost jejich konstrukce a také snadná instalace bez dalších potebných nástroj. Mnohé konektory se ji díve pouívali v prmyslové automatizaci a pro úely telekomunikace se jen mírn upravily. Spojování nkolika vláken do jednoho celku se provádí pomocí jednoduchých optických spojek, které se nasunou na ob vlákna.
2.2.1 Pehled konektor
Mezi bn dostupné konektory pro POF vlákna patí [3]: • Konektor V-pin. Firemní konektor Hewlett-Packard. Jednoduchý, plastový
konektor skládající se z dvou ástí. Do jedné se uchytí vlákno a na nj se nacvakne druhá íst. Existuje jak ve variant s, tak i bez nutnosti pouití speciálních krimpovacích kleští.
• Konektor FSMA. Nejvíce je tento typ konektoru rozšíen v prmyslových aplikacích. Jde o oválný, šroubovací konektor z kovu, který je rozebíratelný. Jeho sloení a celková konstrukce je komplikovaná. Bná hodnota útlumu na konektoru je 1,5 dB.
22
• Konektor ST. Má podobné vlastnosti jako konektor FSMA, rozdíl je akorát v poslední ásti. Ta je u ST konektoru ve tvaru bajonetu a díky tomu našel uplatnní v oblasti plastových a sklenných vláken. Prodává se varianta z plastu nebo kovu.
• Konektor P/N F07. Nepíliš rozšíený konektor v duplexním provedení. Je vyroben z platu a pvodní urení bylo pro audiosystémy.
• Konektor Toslink / F05. Simplexní konektor od spolenosti Toshiba, který je velmi rozšíen v audiotechnice pro penos nekomprimovaného zvuku. Jeho hlavní výhodou je jednoduchá konstrukce. Jde o nerozebíratelný konektor pro POF vlákno o prmru 1 mm.
• Konektor SC. V oblasti sklenných vláken jde o asto pouívaný konektor, který se v simplexním nebo duplexním provedením vyrábí i pro POF vlákna. Je jednoduší konstrukce ne SMA a ST konektory.
• Konektor SMI. Duplexní konektor z plastu, který je zahrnut ve standardu IEEE 1394. Hlavní oblast pouití je spojení periférií na krátké vzdálenosti v domácích podmínkách.
• Konektor Versatile-Link. Jde o vlastní ešení firmy AVAGO, která vyvinula konektor speciáln pro POF vlákna. Celý název zní Versatile Link a jedná se o simplexní konektor velmi jednoduché konstrukce. Sloení konektoru je mono pouze se speciálními krimpovacími kleštmi.
• Konektor F07. Konektor doporuovaný dle specifikací ATM Forum. Du- plexní provedení, z plastu.
V oblasti konektor pro POF panuje ješt vtší nejednotnost, ne u sklenných vláken. Neexistuje jeden typ, který by vyhovoval vtšin. V prmyslu má kadý dodavatel své specifické konektory, to u POF pro telekomunikace bné není a proto jsou daleko bnjší tzv. bezkonektorová ešení.
2.2.2 Bezkonektorová ešení
Výše zmínné konektory, pestoe nabízejí své kvality, nejsou vhodné pro snadnou instalaci, kterou by zvládl i laik. Práv pi práci s POF vlákny, resp. pi jejich zakon- ování musíme pedpokládat, e jej bude provádt uivatel, který nemá pedchozí zkušenosti s optickými vlákny. Práv tento dvod stojí za tím, e výše zmínné konektory nikdy píliš nerozšíily.
Proto je nejpravdpodobnjší, e se bude pouívat systém zakonení vlákna bez konektoru. Pedstavitelem tohoto ešení je systém OptoLock od firmy Firecomms [13]. Jedná se o nenároný duplexní systém.
Práce s tímto systémem probíhá následovn:
23
1. Vlákno se ponechá s ochranou vrstvou, pouze se konec vlákna zbn zbaví viditelných neistot.
2. Pomocí jednoduchého nástroje (iletka v plastové dráku) se odstraní krátký úsek vlákna a tím vznikne pesný rovný ez.
3. Na stran pipojovaného zaízení se odstraní krytka optického rozhraní. 4. Ob vlákna se opatrn rozdlí pomocí iletky. 5. Konce vláken se zasunou do zdíek rozhraní OptoLock. 6. Pomocí posuvné západky se vlákna zajistí proti vytrhnutí. 7. Pokud je svtlo navázáno, postup se provede i pro druhou stranu od bodu 1. Pi porovnání s instalací konektor u metalické kabeláe Cat5e je zde také úspora
asu a potebných nástroj (pi pouití konektoru RJ-45 je poteba krimpovacích kleští a jisté znalosti zapojení konektoru). Bezkonektorové ešení se ji dnes velmi rozšíilo a v oblasti POF vláken urených pro budování datových sítí je nejvíce podporováno rznými výrobci síových prvk.
V kapitole 4.5.1 je popsán vliv pouití rzných nástroj pi zakonení vlákna.
2.3 Mení Metodika mení POF vláken vychází ze stávajících postup pro vlákna sklenná. Vzhledem k odlišnostem popsaných v kapitole 1.5 odpadá nkolik postup charak- teristicky pouitých pouze v kategorii sklenných vláken
Mení optických vláken lze rozdlit podle více kritérií a poadavk. Vzhledem k povaze a pedpokládanému uití POF v uritých typech sítí lze oekávat, e hlavní zájem bude zamen na tyto druhy mení:
• Mení útlumu. Jeden z nejvýznamnjších parametr optických vláken je útlum. Na základ znalosti útlumu daného vlákna meme lépe navrhnout sloení sít. V jiném pípad, pokud ji máme vlákno delší dobu v provozních podmínkách meme lehce rozpoznat poškození vlákna a vas jej vymnit.
• Mení šíky pásma (pop. penosové rychlosti). Stejn jako útlum, i maximální šíka pásma a penosová rychlost jsou velmi dleitými parame- try POF vlákna. Pomoci mení lze najít ást penosové trasy která nemá dostatenou kapacitu pro penos a vlákno nahradit.
• Mení mechanických vlastností. Nemén dleité je ovit chování vlákna pi rzném mechanickém namáhání. Pedevším rzné ohýbání a kroucení me významn ovlivnit penosové parametry.
Spolenost OPTOKON nabízí zaízení která jsou urená pímo pro mení POF vláken. Jsou to jednoduché testery, které mohou snadno ukázat namené hodnoty vstupního a výstupního výkonu a útlumu vlákna [16].
24
3 VYITÍ POF V PÍSTUPOVÝCH SÍTÍCH
3.1 Stávající ešení pístupových sítí Telekomunikaní operátoi musejí v posledních letech ešit stále vzrstající poa- davky na navyšování penosových kapacit a zajištní dostaten kvalitní infrastruk- tury pro moderní síové sluby. Jde o kombinaci tí slueb které se oznaují jako „Triple play“ (trojitá hra), tedy vysokorychlostní pístup k síti Internet, hlasové sluby (VoIP) a televizní vysílání po IP sítích (IPTV). Tyto všechny aplikace si vyadují nemalé datové kapacity.
Pivedení optického vlákna co nejblíe k zákazníkovy je v souasnosti nejdisku- tovanjší problém tzv. poslední míle. Jde o segment mezi hraniním zaízení posky- tovatele, tedy zakonení jeho transportní sít a prvním zaízení na stran zákazníka (typicky domácí internetová brána pop. smrova).
Pístupová ást sít operátora me být ešena mnoha zpsoby. U nás je stále nejrozšíenjší fixní pipojení zákazníka prostednictvím telefonních rozvod, na kte- rých je nasazena technologie digitální úastnické pípojky, tzv. DSL (Digital Subscri- ber Line). Pesto, e penosové rychlosti, díky zdokonalování modulace dat, dosahují ádov i desítky megabit za sekundu (nap. u varianty VDSL2 lze dosáhnout a 40 Mb/s), kvalitativní parametry penosu záleí na mnoha faktorech a nelze je zaru- it u vtšiny uivatel na jakémkoli míst. Z tohoto dvodu je nasazení moderních slueb, jako je IP televize (IPTV) problematické.
Druhou nejrozšíenjší pístupovou metodou je vyuití bezdrátového penosu v bezlicenních pásmech 2,4 GHz a 5 GHz. Velkou výhodou tohoto ešení je flexibilita, snadná rozšíitelnost a v neposlední ad i cena prvk sít. Pomocí této technologie lze pipojit i uivatele, kteí se nacházejí v lokalitách, kde nejsou jiné technologické monosti.
Z výše uvedeného vyplývá, e nasazení optických vláken do oblasti pístupových sítí zajistí do budoucna plynulé navyšování kvality stávajících parametr a nástup nových, moderních slueb, které si zákazníci budou ádat.
3.2 Varianty optických pístupových sítí V souasnosti existuje nkolik rzných variant a koncepcí optických pístupových sítí. Základní rozlenní je podle [1] a [7] následující:
25
3.2.1 Sí typu bod-bod (PTP)
Pro oba smry komunikace je vyuito samostatn vyhrazené vlákno. Koncový zá- kazník je pímo spojen s centrálou telekomunikaního operátora. Tato varianta je vbec nejdraší a proto není ani píliš rozšíená, vyuívá se pedevším v náronjších aplikacích a vlastní vlákno si pronajímají pedevším velké firmy a instituce.
3.2.2 Sí typu bod-multi bod (PTMP)
Jedná se o postupné vtvení sít pomocí rozboova na menší celky na které jsou pipojeni koncoví zákazníci. Sestupný v vzestupný smr komunikace vyuívá jen jedno vlákno, dochází ke sdílení penosových prostedk více úastníky a proto je poteba zavést asové nebo vlnové dlení pásma.
S ohledem na výše zmínné, je logické, e se v posledních letech dostala do popedí práv varianta bod-multi bod a to hlavn z ekonomického hlediska.
Tuto architekturu je pak moné rozdlit podle toho, jakým zpsobem je realizo- váno samotné rozboení a vtvení sít:
3.2.3 Aktivní optická sí (AON)
Na penosové trase jsou umístny aktivn konfigurovatelné prvky sít , které mohou plnit funkci jak zesilova signálu, tak i pístupových bod. Kadý zákazník má samostatn vyhrazený penosový kanál. Poet takto pipojených uivatel je uren potem volných port na stran aktivního prvku (optického pepínae). Výhodou této varianty je prodlouení dosahu sít na nkolik desítek kilometr (piblin a 80 km). Naopak nevýhodou je krom vyšších náklad na infrastrukturu i nutnost zajistit dodávky elektiny pro aktivní prvky, co me být v jistých oblastech pro- blematické a nákladné.
3.2.4 Pasivní optická sí (PON)
Mezi telekomunikaním operátorem a zákazníkem není na penosové trase ádný aktivní prvek sít. Místo nich je pouito pasivních rozboova signálu, tzv. splitter, které optický signál dlí v poadovaném pomru. U starších variant je to maximáln 1:32, pro typ sít GPON (Gigabit PON) lze dosáhnout rozboení 1:64 a nejnovjší 10 Gb/s PON sít umoují a 1:256. Distribuce signálu je obvykle na vzdálenost od 10 do 20 km. Hlavní výhodou je sníení náklad na infrastrukturu, nevýhodou je omezený dosah sít a dále pak sdílení penosového kanálu více úastníky a to si ádá nasazení asového (TDM) nebo vlnového (WDM) dlení kanálu. Také je poteba si uvdomit, e penosová rychlost PON sít se dlí mezi jednotlivé pipojené jednotky.
26
Topologie je z podstaty mnohabodová (PTPM), splittery mohou být kaskádn poskládány za sebou. Toto ešení je vhodné do hust obydlených oblastí s mnoha boními vtvemi. Je ale nutné poítat s tím, e splittery pedstavují vloný útlum trasy závislý na potu rozboení. Napíklad pro variantu GPON, tídy B platí, e vloený útlum distribuní sít nesmí pesáhnout hodnotu 25 dB. Také platí, e se zvyšováním potu pipojených uivatel se sniuje penosová kapacita pro jednotlivé uivatele.
3.3 Zalenní POF vláken do konceptu FTTX Koncept FTTX (Fibre to the X), kde písmeno X oznauje ukonení optického vlákna, v souasnosti pedstavuje nejrozšíenjší postup pi budování pístupových sítí s vy- uitím optických vláken. Snahou je zakonit optické vlákno co nejblí zákazníkovy tak, aby mohl být v budoucnu co nejvíce vyuit potenciál vybudovaných tras. Pe- devším se jedná o navyšování šíky penosového pásma, zkvalitování penosových parametr a nabízení nových, moderních telekomunikaních slueb.
Podle toho, v jakém míst je optické vlákno zakoneno a následn penos pokra- uje po metalickém vedení, rozlišujeme tyto varianty [9], [10]:
• FTTEx (Fibre to the Exchange) – jde zejm o nejrozšíenjší koncept FTTX. Vlákno je ukoneno v ústedn operátora a koncový uivatel je pipojen pomocí metalického vedení na kterém je nasazena jedna z technologií xDSL (ADSL, VDSL, SHDSL). Nicmén, jde pouze o ástenou koncepci FTTX z dvod vyuití stávajícího metalického vedení k uivateli a to s sebou nese mnohá omezení. Naopak z hlediska ekonomického jde o pijatelný kompromis.
• FTTC (Fibre to the Curb/Cabinet) – vlákno je zakoneno v samostatném rozvadi na veejném míst. asto je FTTC kombinováno s PON. V tomto konceptu lze sníit náklady na infrastrukturu a do budoucna, pokud se rozšíí POF vlákna i pro venkovní uití na krátké vzdálenosti, ješt více ušetit na rozvodech k zákazníkm.
• FTTB (Fibre to the Building) – tento koncept je v souasnosti velmi populární pedevším u bytových a vícepodlaních objekt. Vlákno je ukoneno v prvku umístném nap. v suterénu budovy a spolen se smrovaem tvoí hraniní bod lokální sít. Vlákna POF zde pedstavují ideální oblast vyuití, jeliko mohou nahradit strukturovanou kabelá ve vertikálních rozvodech do jednotlivých pater budovy. Napíklad u bytových dom by se ušetily nemalé náklady za optické konvertory.
• FTTO (Fibre to the Office) – Podobné ešení jako FTTB, ale vlákno je zavedeno a do specifických prostor ke konkrétnímu zákazníkovy.
27
• FTTH (Fibre to the Home) – Nejdiskutovanjší koncepce souasnosti z hlediska bného koncového uivatele. Jde o ideální ešení moderních pístu- pových sítí s dostatenými parametry pro moderní penosové poadavky. Op- tické vlákno je ukoneno v objektu majitele domu, kde je nainstalován optický konvertor na který navazuje lokální sí zákazníka. V souasné dob tomuto seg- mentu dominuje metalická kabelá, nicmén vlákna POF zde mohou postupn zaujmout dleité místo. Více se lze doíst v ásti 3.5.
• FTTD (Fibre to the Desk) – jde o nejnovjší a nejmén rozšíené pojetí konceptu FTTX. Zákazník je vybaven zaízením, které samo o sob dokáe zakonit optické vlákno a dále pipojit další koncová zaízení.
3.4 Topologie optické pístupové sít Vlákna POF vykazují vysoký mrný útlum, proto je nelze nasadit na dlouhé trasy v ádku jednotek i desítek kilometr. Z tohoto dvodu je poteba stávajících op- tických vláken na bázi skla k peklenutí nejdelších úsek pístupové sít. Hlavním polem vyuití výhod POF vláken bude oblast posledních nkolika metr které se nacházejí na pechodu mezi pístupovou sítí provozovatele a lokální sítí zákazníka. Obecné schéma uvaovaného návrhu je na obrázku 3.1 .
OLT rozboova ONU
Plastové optické vlákno nebo strukturovaná kabelá
Sklenné optické vlákno
Obr. 3.1: Návrh pístupové sít s vyuitím sklenných a POF vláken.
Návrh pístupové sít je sloen z tchto celk: • Optické linkové zakonení (OLT). Prvek je umístn v centrále operátora (Cent-
ral Office, CO) a poskytuje propojení mezi transportní (pátení) a pístupovou sítí. Sí operátora realizuje sluby pístupu k Internetu, internetové telefonii a internetové televizi.
28
• Pomocí optického vlákna je jeden nebo více rozboova pipojeno k CO. Je pouita jedna z variant distribuce optického signálu, metodou aktivní optické sít (AON) nebo stále astjší pasivní optické sít (PON).
• Rozvad je prvek ve kterém dochází k dlení otického paprsku. V pípad architektury PON bu následuje pímo vlákno k jednotce ONU pop. ONT a nebo následuje další, kaskádové dlení paprsku pomocí tzv. splitter v uritém pomru 1:n, kde n je poet výstup ze splitteru.
• V objektu koncového uivatele je umístna jednotka ONU (Optical Network Unit) – optické síové zakonení jednotkou, pedstavující rozhraní mezi stan- dardním sklenným vláknem a POF pop. metalickým vedením. Druhou mo- ností je jednotka ONT (Optical Network Termination) – optické síové zakon- ení koncovým zaízením poskytující sluby (nap. VoIP, IPTV).
3.4.1 Varianta FTTH
Uvaované schéma sít FTTH vyuívající POF vlákna na rozhraní pístupové a lokální sít zobrazuje obrázek 3.2.
OLT
ONU
POF - USB pevodník
Obr. 3.2: Sí FTTH s vyuitím POF vláken v lokální síti.
29
Jak ji bylo zmínno díve, varianta FTTH pedstavuje zakonení vlákna pímo v objektu zákazníka, nejastji pedstavující samostatný dm. Tento typ pípojky se postupn rozšiuje i v naší zemi, pedevším v novjší zástavb dom. Hlavním argumentem budování FTTH sítí je, e všechny výhody, plynoucí z optických sítí jsou pivedeny nejblíe k uivateli a ten následn me pln vyuívat všech výhod, jako je velká šíka pásma, nízká odezva a vysoké penosové rychlosti.
Na tomto míst je také dobré zmínit rozmach pasivních optických sítí (PON), zmínných v ásti 3.2.4, které mohou velice urychlit budování FTTH sítí ve vtším mítku. Do budoucna je moné pedpokládat nárst penosových rychlostí na stran pístupových sítí a na nkolik gigabit za sekundu. Napíklad varianta pasivní sít 10GEPON, standard IEEE 802.3av, pedpokládá symetrické rychlosti a 10/10 Gb/s [7].
Na stran uivatele, v míst kde pístupová ást pechází na lokální sí me docházet k efektu úzkého hrdla. Tuto situaci lze reáln do budoucna pedpoklá- dat. Zejména trend v poskytování audiovizuálního obsahu, konkrétn IPTV, kdy jeden televizní kanál ve vysokém rozlišení (HD) vyaduje datový tok a 20 Mb/s. Pokud uvaujeme sledování více kanál více uivateli souasn, poadovaná peno- sová rychlost lehce pekroí hodnotu 100 Mb/s. Nejbnji se lze setkat s ešením, které pomocí POF vláken nabízí práv 100 Mb/s na vzdálenost 50 nebo 100 metr na jeden segment sít, co je vzhledem k výše popsanému problém [8].
Toto me být rozhodující argument pi rozhodování mezi POF vlákny a klasic- kou mdnou kabeláí, která je v souasnosti daleko dostupnjší a za niší náklady bn poskytuje a 1 Gb/s pro místní sít (LAN).
S pihlédnutím k pedchozímu je poteba brát v potaz i další problém. V sou- asné dob je na trhu pomrn malá nabídka síových prvk pro vlákna POF, které by vyhovovaly rzným druhm situací pi budování sít. To s sebou nese nutnost pouívat dodatená zaízení, která zajití pevod mezi optickým a elektrickým sig- nálem. Z tohoto dvodu nelze nyní budovat pístupové a lokální sít ist na bázi POF vláken.
Pro koncept FTTH by bylo nejvhodnjší mít na stran zákazníka jediné zaí- zení, které spojuje funkce optické zakonovací jednotky, POF pepínae, smrovae a bezdrátového bodu.
Modelový návrh sít s POF vlákny je uveden v kapitole 4.
3.4.2 Varianta FTTB
Koncept FTTB je v základu podobný FTTH, rozdíl je, e u FTTB je více segment sít a tím i delší vzdálenosti k centrálnímu bodu sít. Ve vtšin pípad se jedná o topologii typu hvzda. Centrální pepína je umístn blízko jednotky ONU a me
30
slouit i jako prvek starající se o konfiguraci sít, logické rozdlení sít pomocí VLAN (Virtual LAN) nebo ízení kapacit sít na základ pravidel QoS (Quality of Service). Koncept FTTB je zamýšlen pedevším ve vícepatrových a lenitjších objektech, proto je poteba pouít dalších pepína k pipojení koncových uivatel.
Na sledujícím schématu 3.3 je vyobrazeno pouití POF vláken v konceptu FTTB u typatrové budovy. Topologie sít je stromová s rozdlením na pátení a distri- buní trasu. Pokud vzdálenost jednotlivých zásuvek k centrálnímu pepínai nepe- sáhne vzdálenost 100 metr, není poteba jednotlivých pepína v kadém pate.
Suterén
chodba
POF vlákno
Uivatelská zásuvka
ONUCentrální pepína
Distribuní pepína
Bytová jednotka
Obr. 3.3: Schéma sít FTTB s vyuitím POF vláken v lokální síti.
31
3.5 Domácí a lokální sít Zatímco obrázek 3.2 ukazoval obecný návrh varianty FTTH s POF vlákny, v násle- dujícím schématu 3.4 je konkrétní rozvrení lokální sít ešené pomocí POF vláken v dom:
Pístupová sí
NAS
Obr. 3.4: Lokální sí s POF a napojením na pístupovou sí.
Na schématu je jednopodlaní dm se temi menšími a jedním vtším pokojem. Domácnost je pipojena k pístupové síti pomocí jednotky ONU, v tomto pípad pedpokládejme, e je kombinována se smrovaem, který zajišuje smrovací a bez- penostní funkce a další sluby v lokální síti.
Centrálním bodem je pepína který je s ONU propojen standardním kabelem UTP (Unshielded Twisted Pair, nestínný kroucený pár). Koncová zaízení (poí- tae, VoIP telefon a televize) jsou k pepínai pipojeny vláknem POF které ne- pesahuje 100 metr pomocí topologie hvzda. V místnosti s koncovým zaízením je
32
POF vlákno zakoneno v opto-elektrickém pevodníku. Pevodník me mít podobu samostatné jednotky s rozhraním RJ-45 pro Ethernet, USB jednotky která je napá- jena pímo ze sbrnice USB a nebo interní karty do sbrnice PCI. Následuje UTP kabel který zajišuje pipojení uivatelského zaízení.
V tomto návrhu lze výhodn vyuít tchto vlastností POF vláken: • Vzhledem k malým prostorovým nárokm, se mohou vlákna POF nainstalovat
za lišty které vedou kolem zdí, pop. za okraje koberce. • Pokud stavba nedisponuje ji zavedenými datovými rozvody, lze vyuít elek-
trické rozvody 230 V. Toto ešení ušetí nutnost dodatených stavebních úprav a také monost vlákno vést a zakonit vedle stávajících elektrických zásuvkách.
• POF vlákno je vhodné ukonit v datové zásuvce a podle poteby kdykoli na- pojit další vlákno. Existují také varianty, kdy je zásuvka rozšíena o pevodník z optického na elektrický signál a napájení je pivedeno ze stávajících rozvod. Další výhodou je e tento typ zásuvek me obsahovat i více konektor jak pro vlákna, tak pro strukturovanou kabelá. To se velmi hodí nap. pi napojení poítae a televize na jednom míst v dom.
3.6 Porovnání parametr POF s metalickou ka- beláí
V segmentu domácích sítí je kladen draz na jednoduchost, flexibilitu a nízkou cenu koncových zaízení a to hlavn kvli tomu, e si uivatel veškeré prvky sít poizuje sám. Poskytovatel internetového pipojení vlastní vtšinou pouze zaízení které zakonuje pístupovou sí (ONU).
Vtšina domácností vyuívá, vedle klasické strukturované kabeláe ím dál astji i bezdrátového pístupu k síti (WLAN). Tento zpsob pipojení se rozšíil pedevším díky komfortu, který pináší a také vzhledem k nárstu potu mobilních zaízení (no- tebooky, mobilní telefony, atd.) v domácnostech. Na druhou stranu, kvli omezené šíce pásma a sdíleným kmitotm, nelze pomocí WLAN sítí vybudovat dostatenou kapacitu pro multimediální sluby.
Proto se asto uivatelé vracejí k bným metalickým rozvod. V tomto ohledu je nejpouívanjší technologie Ethernet, konkrétn varianta 100Base-T (Fast Ether- net) nebo 1000Base-T (Gigabit Ethernet) na kabelái UTP, kategorie 5 (Cat5), 5e (Cat5e), pop. 6 (Cat6) [14].
Z pohledu POF vláken jsou domácí sít ideální segment vyuití. Argumenty hovoící pro jsou:
• Nízká výrobní cena POF vláken. Výroba a zajištní materiálu pro POF vlákna je levnjší ne pro metalické kabely, asem lze tady pedpokládat, e ceny POF
33
vláken klesnou pod cenu metalických kabel. Podobá situace panovala ji díve u vláken na bázi skla.
• POF vlákna mají menší prmr ne ty párové UTP kabely. Proto lze plastová vlákna dodaten zavést i v objektech kde se pvodn s datovými rozvody nepoítalo nebo je stávající metalická kabelá ji nevyhovující. Optické vlákno není ovlivováno vnjším elektromagnetickým polem a tak lze vyuít stávající silové rozvody ani by hrozila interference.
• Lze pedpokládat, e koncepce metalického vedení v segmentu domácích sítí je na vrcholu svých moností a nelze ji dále vylepšovat parametry penosu. POF vlákna je moné pouívat pro nkolik rzných koncept a s výhledem do budoucna asem mnit urité parametry k lepšímu.
Naopak, nevýhody lze charakterizovat takto: • Podpora rozhraní pro POF vlákna ze strany koncových zaízení, jako jsou
osobní poítae, notebooky, nebo multimediální systémy je zatím velmi ome- zená a v souasné dob si vyádá dalších investic do pevodník mezi optickým a elektrickým signálem za vyuití rozhraní Ethernet nebo USB.
• Efektivnost financí vzhledem k technologickému vylepšení je diskutabilní. Nelze pedpokládat brzký nárst nabídky slueb, které by vyuili potenciálu POF vláken v plném rozsahu. K šíení televize ve vysokém rozlišení staí za uritých podmínek i stávající rozvody kabeláe typu Cat5e.
• Parametry, které nyní nabízejí klasické metalické rozvody jsou natolik dosta- tené, e není dvod k pechodu na plastová vlákna. Souasná strukturovaná kabelá typu Cat5e poskytuje rychlost 1 Gb/s, naproti tomu dodavatelé e- šení ist na bázi POF vláken vtšinou poskytují zaízení jen pro rychlosti 100 Mb/s. V tomto ohledu je také dleité zmínit, e cena POF vláken a ak- tivních prvk, které je vyuívají je stále vysoká a v souasné dob klesá jen velmi pomalu.
Z výše uvedeného vyplývá, e nasazování POF vláken do LAN sítí domácího charakteru bude mít spíše postupný charakter. Do nových staveb lze POF vlákna doporuit ji nyní, nicmén