EΘΝΙΚΟ ΜΕΤΣΟΒΙΟ ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟΣχολή Ηλεκτρολόγων Μηχανικών & Μηχανικών Η/Υ

ΟπτικάΔίκτυαΕπικοινωνιώνΚαθ. ΗΑβραμόπουλοςΔρ.Δ.Αποστολόπουλος

www.photonics.ntua.gr

Περιεχόµενα Ηµέρας

2

Εξέλιξη των οπτικών δικτύωνΔίκτυα WDMΣχεδιασμός οπτικών συνδέσμωνΟπτικοί κόμβοι

Εξέλιξη των οπτικών δικτύων

3

q Πρώιμα συστήματα με LED και πολυρρυθμικές ίνες

q Σύστημα με laser ημιαγωγού και μονορρυθμική ίνα για την αντιμετώπιση της διασποράς τρόπων διάδοσης

q Σύστημα με DFB laser και μονορρυθμική ίνα για την αντιμετώπιση της χρωματικής διασποράς

q Σύστημα πολυπλεξίας μήκους κύματος (BFB laser και εξωτερικός διαμορφωτής),(θεωρούνται τα οπτικά δίκτυα πρώτης γενιάς)

Αύξηση χωρητικότητας: TDM and WDM

4

Μέθοδοι αύξησης της χωρητικότητας της ίνας:§ Time Division Multiplexing: Αύξηση του σειριακού ρυθµού µετάδοσης§ Wavelength Division Multiplexing: Αύξηση του αριθµού των παράλληλων parallel συνδέσεων (µηκών κύµατος).

§ Απαίτησηγιαηλεκτρονικόεξοπλισμόμεγάλουεύρουςζώνηςλειτουργίας

§ Υψηλόκόστοςεγκατάστασηςκαισυντήρησης

§ Παράλληληαποστολήδεδομένωνστηνίδιαοπτικήίνα.

§ Πολλαπλάμήκηκύματοςμεχρήση«χαμηλού»ρυθμούμετάδοσηςηλεκτρονικού/οπτικούεξοπλισμούγιατηναύξησητηςσυνολικήςχωρητικότητας.

Πολυπλεξία µήκους κύµατος (WDM)

5

Κάθε µήκος κύµατος στο WDM είναι µια ξεχωριστή σύνδεση

Πολλαπλές συνδέσεις µεταφέρονται πάνω από µία ίναΔιακριτά µήκη κύµατος: δροµολόγηση των οπτικών συνδέσεων στο οπτικό επίπεδο (οπτικά δίκτυα δεύτερης και τρίτης γενιάς)

Ενισχυτές που βασίζονται στην εξαναγκασµένη εκποµπή (stimulated emission principle)

Αµιγώς οπτική ενίσχυση. Δεν χρειάζεται οπτο-ηλεκτρο-οπτική µετατροπή (O-E-O)

Αντιστάθµιση της χρωµατικής διασποράς µε χρήση dispersion compensating fibers (DCF)

Οι ενισχυτές και οι DCFs λειτουργούν για πολλά µήκη κύµατος ταυτόχρονα

Ητεχνολογίατηςπολυπλεξίαμήκουςκύματος(wavelength division multiplexing – WDM)δημιούργησεέφοροέδαφοςγιατηνεμφάνισητωνοπτικώνδικτύων:

Πολυπλεξία µήκους κύµατος (WDM)

6

Τα σύγχρονα συστήµατα WDM βασίζονται σε οπτικούς συνδέσµους µε spans µεταξύ των κόµβων: ~70-100 km SMF ίνας, ενισχυτές (EDFAs) και τµήµατα ίνας DCFs

Η συνολική απόσταση µετάδοσης µπορεί να φτάσει αρκετές χιλιάδες χιλιόµετρα (χωρίς O-E-O µετατροπή)

Εύκολη αναβάθµιση δικτύου: Για περισσότερη χωρητικότητα, απλά προσθέτουµε ποµποδέκτες (transponders) σε νέα µήκη κύµατος

Εξέλιξη τεχνολογίας WDM

7

Η τεχνολογία WDM ωρίµασε µαζί µε την εισαγωγή και ωρίµανση πολλών άλλων συµπληρωµατικών τεχνολογιών (laser, EDFA, AWG, OADM, ROADM, coherent technology) και κατάφερε να επιτύχει τεράστια αύξηση στην χωρητικότητα αλλά και στην απόσταση µετάδοσης.

Coarse WDM

8

Το πρότυπο G.694.2 της Διεθνούς Ένωσης Τηλεπικοινωνιών (International Telecommunications Union - ITU) για τοCoarse Wavelength Division Multiplexing (CWDM) για δίκτυα πόλεων και πρόσβασης καθορίζει:§ Ένα σταθερό πλέγµα 16 καναλιών µεταξύ 1270 nm και 1610 nm (340 nm σύνολο)§ 20 nm κενό µεταξύ γειτονικών καναλιών (~2500 GHz ανά κανάλι)

+ Το µεγάλο κενό µεταξύ γειτονικών καναλιών επιτρέπει την χρήση «φτηνού» εξοπλισµού (π.χ. χαµηλού κόστους lasers)− Μεγάλο µέρος του συνολικού εύρους ζώνης το συστήµατος δεν αξιοποιείται (ένα τυπικό οπτικό κανάλι είναι µεταξύ

1-100 GHz)

Dense WDM

9

Το πρότυπο G.694.1 της Διεθνούς Ένωσης Τηλεπικοινωνιών (International Telecommunications Union - ITU) για το Dense Wavelength Division Multiplexing (DWDM) καθορίζει:§ Ένα σταθερό πλέγµα >80 καναλιών µεταξύ 1530 nm και 1565 nm (340 nm σύνολο)§ Κενό µεταξύ γειτονικών καναλιών ίσο µε 0.8 nm (100 GHz πλέγµα) ή 0.4 nm (50 GHz πλέγµα)

§ Σε αντιπαραβολή µε το CWDM που έχει 20 nm (2500 GHz) ανά κανάλι

§ Μετάδοση σε αποστάσεις >1000 kms είναι εφικτή µε χρήση οπτικών ενισχυτών

+ Πυκνή οµαδοποίηση των καναλιών, αποδοτικότερη χρήση του διαθέσιµου φάσµατος− Υψηλότερο κόστος σε σχέση µε το CWDM

Παράθυρα µετάδοσης DWDM

10

Με βάση την εξασθένηση της ίνας σαν συνάρτηση του µήκους κύµατος, έχουν προσδιορισθεί συγκεκριµένα παράθυρα µετάδοσης, λαµβάνοντας επίσης υπόψη τη δυνατότητα υλοποίησης πηγών, δεκτών, άλλων οπτικών στοιχείων (π.χ. ενισχυτές)

Το «C παράθυρο», όπου η ίνα έχει και την µικρότερη εξασθένηση, ταιριάζει καλύτερα στην τεχνολογία DWDM

Για τα συστήµατα DWDM, τρεις οπτικές ζώνες (bands) έχουν ορισθεί:Short Band (S-Band): 1460 to 1530 nmConventional Band (C-Band): 1530 to 1565 nm κυρίως χρησιµοποιείται σήµεραLong Band (L-Band): 1565 to 1625 nm

Wavelength Division Multiplexing

11

§ CWDMείναιμιαφτηνήέκδοσητουWDM,συνήθωςχρησιμοποιείταισεΜητροπολιτικάοπτικάδίκτυα(μικρέςαποστάσεις,πολλάκαλώδια,περισσότεροιπομποδέκτες)

§ DWDMχρησιμοποιείταιγιαμακρινέςαποστάσειςκαιδίκτυακορμού(σεμερικέςπεριπτώσειςκαισεΜητροπολιτικάδίκτυα),όπουχρειάζεταιυψηλήεπίδοση,καιχρησιμοποιούνταιακριβοί(αλλάλιγότεροι)πομποδέκτες

FixedCWDM&DWDMITUgrids

CWDM Vs DWDM

12

CoarseWDM DenseWDM

Low-costequipment Moreversatile(moreexpensive)

MetroNetworks Core(andMetro)Networks

Point-to-point(P2P)topologies P2P,ring,mesh,transparent,translucent

Upto16channelswith2500 GHzspacing >80channelswith50GHzspacing

Up to~80km(20dBattenuation) Reachofseveral 1000 km

Nooptical amplification OpticalamplificationwithEDFAspossible

10G wavelengthssometimesnotsupported 100/400Gchannelssupported(2015)

Από-σηµείο-σε-σηµείο οπτική µετάδοση

13

§ Οπομποδέκτης(transponder)δέχεταισανείσοδοτοηλεκτρικόσήμακαιτομετατρέπεισεοπτικό (χρησιμοποιώνταςοπτο-ηλεκτρονικούςmodulators),καιτοανάποδο(χρησιμοποιώνταςφωτοδιόδους)

§ ΟιWDMmultiplexer/demultiplexer (MUX/DEMUX) πολυπλέκουν/αποπολυπλέκουν ταδιακριτάμήκηκύματοςστημεριάτουπομπού/δέκτη

§ Ενισχυτές(EDFAs,Raman)χρησιμοποιούνταιαμέσωςμετάτουςπολυπλέκτες καιπριναπότοναποπολυπλέκτη,αλλάκαιενδιάμεσαστηνίνα(in-line – σεκάθεspan)γιαναενισχύσουντοοπτικόσήμα

Οπτικά δίκτυα πρώτης γενιάς (1/2)

14

Η οπτική τεχνολογία χρησιµοποιούταν µόνο στη µετάδοση «από-σηµείο-σε-σηµείο», ως µέσο για την παροχή µεγάλου εύρους ζώνης µε µικρούς ρυθµούς εµφάνισης σφαλµάτωνΗ πολυπλεξία µήκους κύµατος (WDM) ήταν ο κύριος τρόπος αύξησης της χωρητικότητας αφού επέτρεπε πολλαπλές από-σηµείο-σε-σηµείο µεταδόσειςΟι υπόλοιπες λειτουργίες του δικτύου (π.χ. µεταγωγή, δροµολόγηση, έλεγχος, διαχείριση δικτύου) γίνονταν ηλεκτρονικάΒασικό πρόβληµα: Οι υψηλές ταχύτητες µετάδοσης στο δίκτυο µειώνουν αισθητά τους χρόνους στους οποίους τα ηλεκτρονικά καλούνται να περατώσουν τις λειτουργίες (δεκάδες-εκατοντάδες ns)Πρόβληµα είναι επίσης ότι χρησιµοποιούνται πολλά πρωτόκολλα µε αποτέλεσµα το overhead να είναι µεγάλο

Οπτικά δίκτυα πρώτης γενιάς (2/2)

15

«από-σηµείο-σε-σηµείο» οπτική µετάδοση µε τα πρωτοκόλλα Synchronous OpticalNetworking (SONET) and Synchronous Digital Hierarchy(SDH) Ο/Ε/Ο (opto-electro-opto) µετατροπή σε κάθε κόµβο SONET X-Connect: δέκτης µετατρέπει το σήµα σε ηλεκτρικό, ηλεκτρική επεξεργασία, και οπτικός ποµπός το µετατρέπει πάλι σε οπτικό ώστε να φτάσει στον επόµενο κόµβο

Οπτικά δίκτυα δεύτερης γενιάς

16

Δίκτυα µεταγωγής µήκους κύµατος (wavelength routed WDM)Τµήµα των διαδικασιών δροµολόγησης, µεταγωγής, και ελέγχου λαµβάνουν χώρα στο οπτικό επίπεδο

Οπτικοί πολυπλέκτες πρόσθεσης/τερµατισµού (optical add drop multiplexers –OADM). Στατικοί όχι ρυθµιζόµενοι

Οπτικά µονοπάτια (lightpaths) περνάνε διαφανώς ενδιάµεσους κόµβους αλλά έχουν εγκατασταθεί στατικά.Το δίκτυο δεν ρυθµίζεται εξ αποστάσεως και δεν υπάρχει ευελιξία στην επιλογή µήκους κύµατος και στη δροµολόγηση των συνδέσεων.

Οπτικά δίκτυα τρίτης γενιάς

17

Δίκτυα µεταγωγής µήκους κύµατος (wavelength routed WDM)

Η δροµολόγηση λαµβάνει χώρα αµιγώς στο οπτικό επίπεδο

Ρυθµιζόµενοι οπτικοί πολυπλέκτες πρόσθεσης/τερµατισµού (reconfigurable optical add drop multiplexers - ROADMs)

Οπτικά µονοπάτια (lightpaths) περνάνε διαφανώς τους ενδιάµεσους κόµβους Το δίκτυο µπορεί να ρυθµίζεται εξ αποστάσεως, οι συνδέσεις µπορούν να εγκαθίστανται δυναµικά και υπάρχει ευελιξία στην επιλογή µήκους κύµατος και µονοπατιού για αυτές.

18

Στοιχείασχεδιασμούοπτικούσυνδέσμου

Οπτικός σύνδεσµος

19

Ο οπτικός σύνδεσµος µεταξύ 2 κόµβων δεν είναι µια συνεχόµενη οπτική ίνα SMF (singlemode fiber) αλλά αποτελείται από “spans”

Span: 70 – 100 Km

Συνήθως το κάθε span αποτελείται από ένα τµήµα οπτικής ίνας SMF, έναν ενισχυτή (EDFA – erbium doped fiber amplifier), ένα τµήµα ίνας DCF (dispersion compensation fiber), και από έναν δεύτερο ενισχυτή

Μπορεί να υπάρχει µόνο ένας ενισχυτής: SMF-DCF-EDFAΟι ενισχυτές χρησιµοποιούνται για να αντισταθµίσουν τις απώλειες των τµηµάτων ίνας SMF και DCFΤα τµήµατα ίνας DCF χρησιµοποιούνται για να αντισταθµίσουν την χρωµατική διασπορά από το τµήµα ίνας SMF

Αντιστάθµιση εξασθένησης

20

H εξασθένηση αντισταθμίζεται πλήρως από τους ενισχυτές και μετά από κάθε span η ισχύς είναι ίση με την ισχύ εκπομπής

…Po

Launch power(after 1st EDFA)

distance

Εκθετική εξασθένηση P(L) = Po 10 -ΑL/10

A: παράγοντας εξασθένησης, ΑSMF=0.2 –0.25dB/km για SMF, και ADCF=0.5 για DCF

Για span με LSMF km SMF, LDCF km DCF, η συνολική εξασθένηση είναι: Τ=ASMF.LSMF+ ADCF

.LDCF (dB)Για να αντισταθμίσουμε πλήρως την εξασθένηση πρέπει το συνολικό κέρδος των 2 ενισχυτών να είναι G1+G2=T (dB)

Όμως οι ενισχυτές εισάγουν θόρυβο (noise) με ισχύ G.F.h.λ.Bόπου G το κέρδος του ενισχυτή, F η παράμετρος θορύβου (noise figure) του ενισχυτή, h η σταθερά του Planck, λ το μήκος κύματος που χρησιμοποιείται, B το φάσμα συχνότητας όπου υπολογίζεται ο σηματοθορυβικός λόγος (optical signal to noise ratio – OSNR), π.χ. Β=50 GHz για ένα DWDM κανάλι

Σηµατοθορυβικό όριο

21

Ο θόρυβος από τους ενισχυτές αθροίζεται και µπορεί να είναι τόσο υψηλός στον δέκτη που το σήµα να µην έχει αποδεκτό σηµατοθορυβικόλόγο (OSNR).

Αντιστάθµιση χρωµατικής διασποράς

22

Η χρωματική διασπορά είναι γραμμική à μπορεί να αντισταθμιστείþ συνήθως με ίνα αντιστάθμισης διασποράς DCF (Dispersion Compensating Fiber) που έχει αρνητική παράμετρο διασποράς

μονορρυθμικές ίνες (SMF) ίνες αντιστάθμισης διασποράς (DCF)

D=1 ps/nm/km: 2 συχνότητες που απέχουν φασματικά κατά Δλ=1 nm, απομακρύνονται χρονικά κατά ΔΤ=1 psec σε κάθε 1 km διάδοσης

Για span με LSMF km SMF, LDCF km DCF, για να έχουμε πλήρη αντιστάθμιση της διασποράς θέλουμε LSMFDSMF=LDCF(-DDCF)

π.χ. για LSMF =100 km, χρειαζόμαστε LDCF=17 kmΣυνήθως μόνο η SMF ίνα καλύπτει απόσταση, η DCF ίνα είναι σε ένα drum (“καλούμπα”)Άρα στo παραπάνω παράδειγμα καλύπτουμε συνολική απόσταση 100 km!

Διακύµανση χρωµατικής διασποράς στον σύνδεσµο

23

…ChromaticDispersion

0

-1000

-500

0

500

1000

1500

0 500 1000Distance (km)

accu

mul

ated

dis

pers

ion

(ps/

nm)

UnderCompensation-100ps/nm/span

~DK70

~DK50

~DK60

node

-1000

-500

0

500

1000

1500

0 500 1000Distance (km)

accu

mul

ated

dis

pers

ion

(ps/

nm)

UnderCompensation-100ps/nm/span

~DK70

~DK50

~DK60

node

Pre-compensationΣυνήθως για λόγους µείωσης των µη γραµµικών εξασθενήσεων (XPM, FWM) στην αρχή του συνδέσµου τοποθετούµε DCF και ξεκινάµε µε αρνητική διασπορά

Σηµειώσεις

24

Μετάδοση πολλών καναλιών (D)WDMΟι οπτικοί ενισχυτές EDFA ενισχύουν όλα τα µήκη κύµατος στο C- Band ταυτόχρονα µε σχεδόν ίδιο κέρδοςΗ ίνα αντιστάθµισης διασποράς (DCF) λειτουργεί για όλα τα µήκη κύµατος

à Δεν χρειάζεται µετατροπή του σήµατος από οπτικό σε ηλεκτρικό κατά µήκος του συνδέσµου

Η εξασθένηση και η χρωµατική διασπορά αντισταθµίζονται (σχεδόν) πλήρωςΌπως είδαµε για την αντιστάθµιση της εξασθένησης χρησιµοποιούνται ενισχυτές που εισάγουν θόρυβοΠέρα από τον θόρυβο των ενισχυτών, υπάρχουν και άλλα φυσικά φαινόµενα, γραµµικά (Polarization mode dispersion, cross-talk) και µη γραµµικά (self-phase modulation SPM, cross-phase modulation XPM, four-wave mixing FWM), που δεν αντισταθµίζονται και περιορίζουν την απόσταση δυνατής µετάδοσης

O τρόπος σχεδιασµού οπτικών συνδέσµων που περιγράφηκε παραπάνω ισχύει για WDM δίκτυα πρώτης γενιάς (µετάδοση από-σηµείο-σε-σηµείο) αλλά και δεύτερης-τρίτης γενιάς (δίκτυα µεταγωγής µήκους κύµατος)

Στα δίκτυα δεύτερης και τρίτης γενιάς, όπου οπτικές συνδέσεις περνάνε διαφανώς από ενδιάµεσους κόµβους, τα φαινόµενα εξασθένησης συσσωρεύονται κατά την διάδοση στους συνδέσµους και στους κόµβους

25

Οπτικοίκόμβοι

Είδη οπτικών κόµβων I

26

Regen

Είδη οπτικών κόµβων II

27

Reconfigurable Optical Add Drop Multiplexers (ROADMs) είναι τα βασικά στοιχεία των οπτικών δικτύων κορµού σήµερα

Μπορούν να χειρίζονται κάθε µήκος κύµατος σε κάθε είσοδο/έξοδο ξεχωριστά

Πραγµατοποιούν οπτική µεταγωγή, µεταφέροντας σήµα από µία ίνα σε µία άλλη, προσθέτοντας, τερµατίζοντας κανάλια στις τοπικές θύρες χωρίς να µετατρέψουν το οπτικό σήµα σε ηλεκτρικό

Τα ROADMs ρυθµίζονται δυναµικά εξ αποστάσεως

OADMs I

28

q ΣυνδέσειςχωρίςOADM

(από-σημείο-σε-σημείομεταδόσεις)

û Απαιτείταιυπερβολικόςαριθμόςtransponders

q ΣυνδέσειςμεOADM

q Οαριθμόςτωνtranspondersμειώνεται

Οι οπτικοί σύνδεσµοι µεταξύ των κόµβων έχουν spans της µορφή SMF-EDFA-DCF-EDFA που είδαµε πριν.

(Τα spans δεν θα παρουσιάζονται εδώ και στη συνέχεια για να διατηρήσουµε τα σχήµατα απλά.)

OADMs II

29

Χαρακτηριστικά Αριθµός µηκών κύµατος που υποστηρίζονται

Αριθµός µηκών κύµατος που είναι δυνατόν να προστεθούν και τερµατιστούν

Περιορισµοί όσον αφορά στις δυνατότητες προσθήκης και τερµατισµού συγκεκριµένων µηκών κύµατος

Ευκολία στην πρόσθεση και τερµατισµό µηκών κύµατος

Επεκτασιµότητα αναφορικά µε τον αριθµό των υποστηριζόµενων µηκών κύµατος

Επίδραση των λειτουργιών προσθήκης και τερµατισµό στο φυσικό επίπεδο (π.χ. απώλειες και παραµόρφωση)

Στατική ή επαναδιαµορφόσιµη αρχιτεκτονική µε δυνατότητες αποµακρυσµένης διαχείρισης

Στατικοί OADMs I

30

Οι στατικοί OADMs προσθέτουν/τερµατίζουν µήκη κύµατος στο οπτικό δίκτυο µε βάση σχεδιασµό που έχει γίνει εκ των προτέρων

Όλα τα εισερχόµενα µήκη κύµατος αποπολυπλέκονται και µερικά τερµατίζονται

Τα τερµατιζόµενα µήκη κύµατος επιλέγονται εκ τον προτέρων (η επιλογή µπορεί να είναι και αυθαίρετη)

Οι απώλειες του πολυπλέκτη είναι σταθερές

Οι απώλειες είναι σχετικά αυξηµένες λόγω της αποπολυπλεξίας του συνόλου των µηκών κύµατος

Εισάγεται παραµόρφωση στα οπτικά σήµατα λόγω διαδοχικής πολυπλεξίας και αποπολυπλεξίας

Παράλληλη(parallel)αρχιτεκτονικήOADM

Drop Add

Στατικοί OADMs II

31

Σπονδυλωτή(modular)αρχιτεκτονικήOADM

Aποπολυπλεξία και πολυπλεξία γίνεται σε δύο στάδια. Στο πρώτο στάδιο τα εισερχόµενα µήκη κύµατος χωρίζονται σε ζώνες (wavebands), ενώ στο δεύτερο στάδιο οι ζώνες χωρίζονται στα ξεχωριστά µήκη κύµατος

Μείωση της επίδρασης της πολυπλεξίας και αποπολυπλεξίας στην παραµόρφωση και την εξασθένηση του οπτικού σήµατος

Η σπονδυλωτή αρχιτεκτονική αποτελεί τη µοναδική λύση για µεγάλο αριθµό µηκών κύµατος

Drop Add

Στατικοί OADMs III

32

Σειριακή(serial)αρχιτεκτονικήOADM

Αποτελείται από πολλά στάδια προσθήκης/ τερµατισµού, κάθε ένα από τα οποία προσθέτει ή τερµατίζει ένα µοναδικό µήκος κύµατος

Δεν υπάρχουν παραµορφώσεις (τα µήκη κύµατος αποπολυπλέκονται µόνο στο δέκτη)

Το κόστος αυξάνει µε τον αριθµό σταδίων

Drop Add Drop Add Drop Add

Στατικοί OADMs IV

33

Αρχιτεκτονικήπροσθήκης/τερματισμούζώνης(band)

Σε κάθε στάδιο τερµατίζεται ή προστίθεται µόνο µία ζώνη, ενώ η επιλογή ενός συγκεκριµένου µήκους κύµατος µέσα στην εν λόγω ζώνη γίνεται σε δεύτερο στάδιο αποπολυπλεξίας (συµβιβασµός µεταξύ σειριακής και παράλληλης αρχιτεκτονικής)

Καθιστά ιδιαιτέρως δύσκολο τον προγραµµατισµό των µηκών κύµατος στο δίκτυο

Κάθε µήκος κύµατος υφίσταται µη-προβλέψιµη εξασθένηση και παραµόρφωση

Drop Add

Συντονιζόµενοι OADMs I

34

Αρχιτεκτονικέςμεtransponders σταθερούλ

Στην πρώτη εκδοχή χρησιµοποιούνται οπτικοί µεταγωγείς (2x2) ώστε να προστίθενται / τερµατίζονται µήκη κύµατος κατ’ απαίτηση

Οι transponders είναι σταθερού µήκους κύµατος

Απαιτείται εκ τω προτέρων σχεδιασµός και εγκατάσταση transponders

Οι συντονιζόµενοι OADMs δίνουν τη δυνατότητα δυναµικής προσθήκης και τερµατισµού µηκών κύµατος (σε αντίθεση µε τους στατικούς)

Συντονιζόµενοι OADMs II

35

Αρχιτεκτονικέςμεσυντονιζόμενους transponders

Οι συντονιζόµενοι transponders έχουν τη δυνατότητα λήψης και εκποµπής σε όποιο µήκος κύµατος είναι επιθυµητό

Χρειάζεται ένας οπτικός µεταγωγέας µε µέγεθος (k+l)x(k+l), οπου l ο αριθµός των τοπικών transponders (τοπικές θύρες)

Optical Cross Connects (OXCs)

36

ΛειτουργίεςOXCΥποστήριξη πολλών ινών και πολλαπλών τοπικών θυρών

Παροχή οπτικών µονοπατιών µε αυτοµατοποιηµένο τρόπο

Προστασία από βλάβες στον εξοπλισµό και τις οπτικές ίνες

Εποπτεία της ποιότητας σήµατος των διακινούµενων µηκών κύµατος

Σε δίκτυα µε µεγάλο αριθµό από µήκη κύµατος και µε πολύπλοκες τοπολογίες οι OADMsαντικαθίστανται από optical cross connects (OXCs)

Παρατήρηση: οι αρχιτεκτονικές OADM που παρουσιάστηκαν είχαν 2 ίνες εισόδου/ εξόδου και δεν γενικεύονται εύκολα για κόµβους µε πολλές ίνες. Χρησιµοποιούνται όµως ακόµα και σήµερα σε τοπολογίες δακτυλίου σε µητροπολιτικά (metro) οπτικά δίκτυα

Παθητικός οπτικός µεταγωγέας

37

Ο nxn παθητικός µεταγωγέας µπορεί να εξυπηρετήσει n2συνδέσειςΟ κανόνας µεταγωγής είναι ότι η συχνότητα λj στη θύρα εισόδου i εξέρχεται από τη θύρα εξόδου (i+j-1) mod nΥπάρχει πλήρης επαναχρησιµοποίηση µηκών κύµατοςΌµως η µεταγωγή είναι στατική. Δεν υπάρχει ευελιξία (πχ δεν µπορεί να γίνει µεταγωγή του λ1 απο την είσοδο 1 στην έξοδο 3)Δεν υποστηρίζει broadcastΜπορεί να χρησιµοποιηθεί για να δηµιουργήσει OADM και OXC, αλλά έχει περιορισµένη εφαρµογή λόγω της έλλειψης ευελιξίας

Cyclic Arrayed Waveguide grading (CAWG)

Υπάρχει και σε απλούστερη µορφή µε 1 είσοδο και n εξόδους (AWG)

Βασική αρχιτεκτονική OXC

38

Στοιχείαπουτοναποτελούν

n Mux/Demux, όπου n ο αριθµός των ινών

Κεντρικός µεταγωγέας

Ο κεντρικός µεταγωγέας είναι nxn µπορεί να εξυπηρετήσει n2 ταυτόχρονες συνδέσεις (σαν τον παθητικό µεταγωγέα)

Ο πίνακας µεταγωγής είναι συντονισµένος επαναδιαµορφώσιµος (ενώ στον παθητικό µεταγωγέα δεν είναι)

Aποτελείται από k οπτικούς µεταγωγείς: ένας οπτικός µεταγωγέας (n+1)x(n+1) για κάθε µήκος κύµατος του δικτύου, υποθέτουµε ότι µόνο 1 σύνδεση από κάθε µήκος κύµατος µπορεί να προστεθεί/τερµατιστεί

Ένας οπτικός µεταγωγέας lxk για πρόσβαση σε τοπικούς transponders (τοπικές θύρες), οπου l είναι ο αριθµός των τοπικών transponders

Συγκρότηµα από l transponders/θύρες (συνήθως συντονιζόµενοι transponders)

n n

Οπτικοί µεταγωγείς MEMS

39

Micro-Electro-Mechanical Systems (MEMS)Μεταγωγέας επιπέδου 0 (layer 0): µετάγει φως από τις εισόδους στις εξόδους

þΑνεξάρτητο από µήκος κύµατος και την τεχνική διαµόρφωσης

þΥψηλή χωρητικότητα (up to ~Tbps)þΜικρός χρόνος καθυστέρησηςþΜικρή κατανάλωση ενέργειαςþΕπαναδιαµορφώσιµοιýΑργοί χρόνοι επαναδιαµόρφωσης (100

msec)ýΔεν υποστηρίζει broadcasting

Σύγχρονοι οπτικοί κόµβοι

40

Η παραπάνω αρχιτεκτονική optical cross connect (OXC) δεν κλιµακώνεται καλά

Χρειάζεται έναν οπτικό µεταγωγέα (MEMS) για κάθε µήκος κύµατοςΟ αριθµός των θυρών των MEMS εξαρτάται από τον αριθµό των αριθµό των ινών αλλά και των συνδέσεων ίδιου µήκους κύµατος που θέλουµε να υποστηρίζει ο κόµβος

Σύγχρονα optical cross connect (OXC) χρησιµοποιούν επιλεκτικούς µεταγωγείς µήκους κύµατος (wavelength selective switch WSS)

Χρησιµοποιούνται µικρά στοιχεία (WSS 1x4, 1x9)Κλιµακώνονται ανεξάρτητα από τον αριθµό των µηκών κύµατος και µε µικρότερη εξάρτηση από τον αριθµό των transponders

Wavelength Selective Switch (wss)

41

Ο επιλεκτικός µεταγωγέας µήκους κύµατος (wavelength selective switch WSS) είναι το δοµικό στοιχείο των σύγχρονων οπτικών κόµβων OXC

Είναι ένας σύνθετος πολυπλέκτης/ αποπολυπλέκτης 1xN (πχ. 1𝑥2 ή 1𝑥4 ή 1𝑥9 ή 1𝑥20)

Έχει συνολικά (1+Ν) θύρες, η 1 ονοµάζεται και «κοινή» θύρα

Χρησιµοποιείται και προς τις 2 κατευθύνσεις για να εκτελέσει πολυπλεξία ή αποπολυπλεξία!π.χ. ένας 1𝑥4 WSS µπορεί να χρησιµοποιηθεί για αποπολύπλεξη του σήµατος από την 1 είσοδο στις 4 εξόδους, ενώ αν συνδεθεί σαν 4𝑥1 πολυπλέκει τις 4 εισόδους στην 1 έξοδο

Επιλέγει ποια µήκη κύµατος θα προστεθούν/εξαχθούν σε ποιες εξόδους

WavelengthSelectiveSwitch(WSS)

αποπολυπλέκτης

πολυπλέκτης

Οπτικός κόµβος OXC: Colored / Directed

42

Τα Network interfaces (ΝΙ) συνδέονται µε τις ίνες εισόδου/εξόδουΔεν είναι πλέον παθητικά όπως τα Mux/Demux που είχαµε πριν, αλλά έχουν ενεργά στοιχεία στην έξοδο (τα WSS) για να επιλέγουν από πού θα προωθήσουν και ποιο µήκος κύµατος

Οι transponders µπαίνουν σε add/drop terminalsDirected: το κάθε add/drop terminal είναι «κολληµένο» µε ένα Network InterfaceColored: στα add/drop terminals δεν υπάρχουν WSS, αλλά παθητικά AWG, οπότε χρησιµοποιούνται transponder σταθερού µήκους κύµατος

Οι κόµβοι ακολουθούν τη λογική broadcast-and-select: το σήµα γίνεται broadcast προς όλες τις εξόδους (τόσο ίνες όσο και τοπικές θύρες) και τα WSS χρησιµοποιούνται για την επιλογή (select).

transponderσταθερούμήκουςκύματος

Οπτικός κόµβος OXC: Colored / Directionless

43

transponderσταθερούμήκουςκύματος

Directionless: Τα add/drop terminals συνδέονται µε όλα τα Network Interfaces (NIs)

Χρησιµοποιούνται WSS για τον τερµατισµό στοadd/drop terminal, ώστε να µπορεί να επιλεγεί από ποια ίνα να τερµατιστεί κάθε µήκος κύµατοςΔεν υπάρχει WSS για την πρόσθεση στο add/drop terminal, η επιλογή της ίνας εξόδου γίνεται από τα αντίστοιχα WSS στα ΝΙ

Colored: Χρησιµοποιούνται transpondersσταθερού µήκους κύµατος (αφού το WSS στο add/drop terminal επιλέγει την ίνα τερµατισµού και οι λειτουργίες µεταγωγής προς και από τους transponders γίνονται µε παθητικά στοιχεία)

Οπτικός κόµβος OXC: Colorless / Directed

44

Directed: Κάθε add/drop terminal είναι «κολληµένο» µε ένα Network Interface (NI)

Colorless: µπορούµε να χρησιµοποιήσουµε συντονιζόµενους transpondersΧρησιµοποιούνται WSS στα add/drop terminals για να επιλέξουν τον transponder που θα µεταγάγουν ένα µήκος κύµατος

συντονιζόμενοιtransponders

συντονιζόμενοιtranspondersσυντονιζόμενοι

transponders

Οπτικός κόµβος OXC: Colorless/directionless/contentionless

45

συντονιζόμενοιtransponders

συντονιζόμενοιtransponders

Directionless: Τα add/drop terminals συνδέονται µε όλα τα Network Interfaces (NIs)

WSS (stage 1) χρησιµοποιείται για τον τερµατισµό στο add/drop terminal, ώστε να µπορεί να επιλέγει από ποια ίνα να τερµατιστεί κάθε µήκος κύµατος

Colorless: µπορούµε να χρησιµοποιήσουµε συντονιζόµενους transponders

WSS (stage 2) χρησιµοποιούνται στα add/drop terminals για να επιλέξουν τον transponder που θα µεταγάγουν ένα µήκος κύµατος

Contentionless: για να υποστηρίξουµε παραπάνω από µια συνδέσεις µε το ίδιο µήκος κύµατος προσθέτουµε ένα επιπλέον add/drop terminal