Sieci dostępowe przewodowe xdsl i CATV

Transkrypt

1 Sieci dostępowe przewodowe xdsl i CATV SŁAWOMIR KULA IZABELA MALEŃCZYK Politechnika Warszawska Wszelkie prawa zastrzeżone Warszawa, październik

2 Usługi a szybkość transmisji 2

3 przepływność binarna [kb/s] Zmiany wymagań na szybkość transmisji rok 3

4 Kierunki modernizacji sieci dostępowych xdsl FITL SIEĆ DOSTĘPOWA HFCL RITL (SRDA) 4

5 Zawartość tematyczna systemy xdsl systemy światłowodowe FITL systemy HFC/CATV systemy dostępu radiowego 5

6 Systemy i sieci dostępowe xdsl 6

7 transmisyjna Ogólna struktura tradycyjnej sieci dostępowej abonenckie 1-4 km 0,5-1 km kilka km CA R1 R2 PAN SAN TAN CA - centrala abonencka R1, R2 - szafka rozdzielcza 7

8 Centrala telefoniczna Przełącznica główna (PG) Struktura sieci miejscowej Stacja telekomunikacyjna Studnia stacyjna Kabel zakończeniowy Głowice, zespoły łączówkowe Kabel magistralny (miejscowy) Szafka kablowa Poziom gruntu Puszka abonencka Wielokondygnacyjny budynek mieszkalny Puszka przelotowoodgałęźna Kabel stacyjny Skrzynka kablowa Parter I piętro II piętro Komora kablowa Piwnica Kanalizacja kablowa wprowadzeniowa Kanalizacja kablowa Złącze kablowe (odgałęźne) Studnia kablowa (podszafkowa) Złącze kablowe (przelotowe) Studnia kablowa (przelotowa) Złącze rozgałęźne 8

9 Wady klasycznych sieci dostępowych Szumy i błędy Brak możliwości łatwej rozbudowy Nieznane parametry sieci Ograniczone pasmo 9

10 Budowa kabla telekomunikacyjnego pancerz osłona żyła zapora przeciw wilgotnościowa Izolacja żyły wiązka wypełnienie ekran powłoka 10

11 Rodzaje skrętów Skręt gwiazdowy Skręt dwuparowy - DM 11

12 Budowa kabla telekomunikacyjnego Kabel czwórkowy, pęczkowy Kabel parowy warstwowy 12

13 Zasady oznaczania kabli 1 2 T K rodzaj powłoki: polietylenowa (X), poliwinitowa (Y), poliwinitowa uniepalniona (Yn), tworzywo bezhalogenowe (N) 2 - zapora przeciw wilgotnościowa (z) 3 - typ kabla: miejscowy (M), stacyjny (S), zakończeniowy (Z) 4 - rodzaj izolacji: polietylenowa jednolita (X), polietylenowa piankowa (Xp) 5 - wypełniony (w), samonośny (n) 6 - ekran: taśma aluminiowa falowana (Alf), wspólny ekran na środku (ekw). Pary ekranowane (ekp) 7 - pancerz: taśma stalowa falowana (Ft), lakierowana (Ftl), drut okrągły (Fo) 8 - rodzaj osłony: polietylenowa (X), poliwinitowa (Y), tworzywo bezhalogenowe (N) 9 - liczba par albo czwórek 10 - parowy (2), czwórkowy (4) 11 - znamionowa średnica żył w mm 13

14 Kable teleinformatyczne UTP (ang. Unshielded Twisted Pair) skrętka nieekranowana skrętka wykonana z dwóch przewodów, ze zmiennym splotem (zwykle 1 zwój na 6-10 cm), co chroni transmisję przed oddziaływaniem otoczenia. Skrętka nieekranowana UTP jest powszechnie stosowana w sieciach telefonicznych (jedna, dwie lub cztery pary) i w kablach komputerowych (cztery skrętki w kablu). Zwykle poszczególne skrętki w kablu mają odmienny skręt w celu minimalizacji przeników zbliżnych NEXT i zdalnych FEXT. Ich przydatność do transmisji cyfrowych określają kategorie, a przydatność do aplikacji - klasy kabli miedzianych. Przy przesyłaniu sygnałów cyfrowych za pomocą skrętek UTP (cztery pary) uzyskuje się standardowa przepływności do 100 Mb/s (kat. 5), oraz 1 Gb/s w technologii Gigabit Ethernet. Dla przesyłania sygnałów w sieciach komputerowych konieczne są skrętki kategorii 3 (10 Mb/s) i kategorii 5 (100 Mb/s), przy czym powszechnie stosuje się tylko tą ostatnią. 14

15 Kable teleinformatyczne STP (ang. Shielded Twisted Pair) skrętka ekranowana klasyczne miedziane medium transportowe sieci komputerowej, wykonane z dwóch skręconych przewodów wraz z ekranem w postaci oplotu. Para ekranowana jest bardziej odporna na zakłócenia impulsowe oraz szkodliwe przeniki niż skrętka UTP. FTP (ang. Foiled Twisted Pair) skrętka foliowana skrętka miedziana ekranowana za pomocą folii wraz z przewodem uziemiającym. Przeznaczona jest głównie do budowy sieci komputerowych (Ethernet, Token Ring) o długości nawet kilku kilometrów. Stosowana ostatnio również na krótszych dystansach w sieciach standardu Gigabit Ethernet (1 Gb/s) z wykorzystaniem wszystkich czterech par okablowania miedzianego kat

16 Kable teleinformatyczne F-FTP każda para przewodów otoczona jest osobnym ekranem z folii, cały kabel jest również pokryty folią; S-FTP każda para przewodów otoczona jest osobnym ekranem z folii, cały kabel pokryty jest oplotem; S-STP każda para przewodów otoczona jest osobnym ekranem (oplotem), cały kabel pokryty jest oplotem. 16

17 Budowa kabla teleinformatycznego UTP FTP STP powłoka ekran ekran pary Izolacja żyły żyły folia estrofolowa żyła uziemiająca 17

18 Pasmo przepustowe kabli teleinformatycznych amerykańska normy EIA/TIA europejska normy ETSI pasmo [MHz] Kategoria 1 Klasa A 0,1 Kategoria 2 Klasa B 1 Kategoria 3 Klasa C 10 Kategoria 4 Klasa C 16 Kategoria 5 Klasa D 100 Kategoria 6 Klasa E 250 Kategoria 7 Klasa F 600 Kategoria 8 Klasa G

19 Model pary symetrycznej R L R L R L G C G C G C Linia długa l 10 Inaczej: przesunięcie fazy sygnału po przejściu przez linię nie jest większe niż 0,1 kąta pełnego 19

20 20 Parametry wtórne linii Impedancja falowa (charakterystyczna) linii )] ( 2 ) ( )][ ( 2 ) ( [ ) ( ) ( ) ( ; ) ( 2 ) ( ) ( 2 ) ( ) ( f fc j f G f fl j f R f j f f f fc j f G f fl j f R f Z C C p p b a g p p + + = + = + + = Współczynnik przenoszenia (tamowność) α(f) - tłumienność jednostkowa,, β(f) - przesuwność jednostkowa

21 Impedancja charakterystyczna R L R L R L Z C G C G C G C l R L R L R L Z C G C G C G C Z C 21

22 Zjawiska związane z transmisją przewodową Tłumienie Dyspersja Odbicia Przeniki zdalne zbliżne samoprzeniki Zakłócenia sygnałami zewnętrznym zakłócenia telefoniczne zakłócenia z instalacji elektrycznej zakłócenia radiowe 22

23 nadajnik Zjawiska w kablach z żyłami miedzianymi odbiornik tłumienie i dyspersja przeniki odbicia zakłócenia zewnętrzne odbicia U N Z N Z O E przeniki odbicia odbicia tłumienie 23

24 Tłumienie U N Z N kabel Z C Z O E U(x) 0 d x 24

25 25 Napięcie U(x,f) w poszczególnych punktach linii zależy od odległości x i częstotliwości f sygnału. Gdy spełniony jest warunek dopasowania linii (Z O = Z C ) to wynosi ono: Napięcie to maleje eksponencjalnie z odległością x, maleje też w funkcji częstotliwości przesyłanego sygnału. l f N O x f N e U f U f l U U f x U ) ( ) ( - ) ( ), ( ; e ), ( g g = = = U N Z O U O (f) U(x,f) x l Tłumienie sygnałów w linii

26 Tłumienie sygnałów w linii Przykład zmiany napięcie U(x,f) w poszczególnych punktach linii dla sygnału sinusoidalnego U(x,f) x Parametrem charakteryzującym tłumienie linii jest jej tłumienność A. Wyraża się ją najczęściej w jednostkach zwanych decybelami [db]: U A = U N O A[ db] = 20log U U N O A[ db] = 10log P P N O P N moc sygnału nadawanego P O moc sygnału odbieranego 26

27 Tłumienie pary symetrycznej - przykład tłumienność jednostkowa [db/km] 100 0,4 mm 80 0,5 mm częstotliwość [MHz] 27

28 Model systemu transmisji danych synchronizacja dane wej. Generator impulsów nadajnik Filtr nadawczy medium + szum Filtr odbiorczy odbiornik Układ decyzyjny dane wyj. 28

29 Cyfrowy filtr transwersalny y(t) z -1 z -1 z -1 c 1 c 2 c 3 c n x(t)= y(t)c 1 + y(t-1) c 2 + y(t-2) c y(t-n) c n 29

30 Podstawowa konfiguracja korektora adaptacyjnego y(t) z -1 z -1 z -1 c -L c -L+1 c -L+2 c L x( T L) xˆ ( T L) + do detektora danych e( T L) 30

31 Korektor adaptacyjny z eliminacja szumu y(t) Korektor C(z) x( T L) + ( n) + xˆ ( T L) ~ x( T L ) Detektor + Predyktor F(z) 31

32 Dyspersja w linii x τ τ τ x Impulsy: na wejściu x=0 x<0,1λ x>> 0,1 λ 32

33 Dyspersja w linii U N Z N Z C Z O U O E U ( x ) x 0 l x 33

34 Funkcja sin x / x sin x x 1 0,127-3p -2p -p -0,212 p 2p 3p x 34

35 Dyspersja impulsu prostokątnego w linii amplituda 1 km 2 km 3 km 4 km Para miedziana symetryczna =0,5 mm czas [ s] 35

36 Niedopasowanie linii Niedopasowanie impedancji oznacza, że impedancja nadajnika Z N jest inna niż Impedancja linii Z C, a ta z kolei jest inna niż impedancji obciążenia Z O. U N Z N Z C Z O U O E W wyniku braku dopasowania część energii sygnału odbija się w punkcie, w którym nie ma dopasowania i wraca do nadajnika.. W przypadku dopasowania w odbiorniku wydziela się w nim cała energia sygnału nadawanego. Jest to najbardziej pożądany (przypadek, do którego dążymy). 36

37 Miejsca odbicia sygnału niedopasowanie Z N Z C niedopasowanie Z O Z C U N Z N Z O E odczep niejednorodność kabel 37

38 Linia dopasowana Linia dopasowana Z N = Z C = Z O. U N Z N Z C Z O U O E U N brak odbicia. Uwaga: rysunek dotyczy linii bezstratnej (w rzeczywistych liniach zawsze występuje tłumienie sygnału. 38

39 Linia zwarta na końcu Z O =0 Linia dopasowana na wejściu Z N = Z C U N Z N Z C U O E U N Linia zwarta na końcu całkowite odbicie ρ O =1 Uwaga: animacja dotyczy linii bezstratnej (w rzeczywistych liniach zawsze występuje tłumienie sygnału. animacja 39

40 Odbicie w linii zwartej na końcu Linia półfalowa to linia o długości będącej wielokrotnością połowy długości fali. Moduł napięcia (natężenia)) w zwartej linii półfalowej mierzony wzdłuż niej cechuje się występowaniem maksimów (strzałki) i minimów (węzły). Obrazuje to przykład pokazany na rysunku: l = k 2 U N Z N C Z O = 0 E U (x,f) Z C Linia dopasowana na wejściu Z N = Z C x całkowite odbicie ρ O =-1 0 λ 2λ 3λ 4λ 40

41 Odbicie w linii rozwartej na końcu Moduł napięcia (natężenia)) w zwartej linii półfalowej rozwartej mierzony wzdłuż niej cechuje się występowaniem maksimów (strzałki) i minimów (węzły). Obrazuje to przykład pokazany na rysunku: l = k 2 U N Z N C Z O = E U ( x ) Z C całkowite odbicie ρ O =+1 Linia dopasowana na wejściu Z N = Z C x 0 λ 2λ 3λ 4λ 41

42 Odczepy w linii... odczep 1 odczep 2 (wykorzystany) odczep 3 42

43 Częstotliwość zerowania Z N Z C x l-x U N Z N Z O = E Z O = n f n = c e 4 ; ; Zerowanie napięcia, gdy x l k =

44 44 Transmitancja linii R L G C R L G C R L G C Napięcie indukowane w odbiorniku, gdy Z C =Z O Transmitancja U N Z O U O (f) ) ( ) ( ) ( - ) ( ) ( ), ( ; e ), ( f l l f N O x f N e f H e U f U f l U U f x U g g g = = = =

45 Przeniki FEXT U N Z N E Z O U O U N Z N E Z O U O 45

46 Miary przeników zdalnych FEXT S N = k F 1 lf 2 k F - stała zależna od struktury kabla, liczby par przewodów zakłócających Przykład: dla kabla 50-parowego wg standardu ANSI k F = 0,6 20 n

47 Przeniki zbliżne NEXT U N Z N E Z O U O U N Z N E Z O U O 47

48 Przeniki zbliżne NEXT S N = ( k f N 3 2 ) 1 k N - stała zależna od struktury kabla, liczby par przewodów zakłócających Przykład: dla kabla 50-parowego wg standardu ANSI k N = 0,6 13 n

49 Model powstawania samoprzeników nadajnik FILTR linia symetryczna odbiornik 49

50 Inna definicja samoprzeników Niekiedy przyjmuje się, że samoprzeniki to przeniki pochodzące z innych linii kabla, w których przesyłane są sygnały tego samego rodzaju co w linii zakłócanej. Przykład: W 11 liniach kabla przesyła się sygnały ADSL. Wzajemne zakłócenia spowodowane przenikami są nazywane samoprzenikami. Samoprzeniki zbliżne oznacza się skrótem S-NEXT, a samoprzeniki zdalne S-FEXT. 50

51 Gęstość widmowa mocy Telefoniczny impuls zakłócający 0 PRZEBIEG CZASOWY 0 t= 10 s WIDMO IMPULSU 0 f= 30 MHz 51

52 Impuls zakłócający spowodowany wyłączaniem oświetlenia Gęstość widmowa mocy 0 PRZEBIEG CZASOWY 0 t= 100 s WIDMO IMPULSU 0 f= 30 MHz 52

53 Zakresy fal radiowych PASMA fale ultrakrótkie 0,15 0,285 0,525 1, f [MHz] Napięcie indukowane w kablu oddalonym o d od anteny dookólnej o średniej mocy nadajnika P t, gdzie b jest parametrem zależnym od rodzaju kabla V d = 5,48 bd P t 53

54 Ewolucja modemów telefonicznych ,3-1,2 kb/s 1968 V.26 2,4 kb/s 1972 V.27 4,8 kb/s 1976 V.29 9,6 kb/s 1986 V.33 14,4 kb/s 1989 V33bis 19,2 kb/s 1994 V.34 28,8 kb/s 1998 V kb/s 54

55 Techniki xdsl IDSL (ISDN Digital Subscriber Line) HDSL (High data rate Digital Subscriber Line) SDSL (Symemetric Digital Subscriber Line) SHDSL (Single pair High data rate Digital Subscriber Line) ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line) RADSL (Rate adaptive Asymmetric Digital Subscriber Line ) UDSL (Universal Digital Subscriber Line - G.lite ADSL) VDSL (Very high date rate Digital Subscriber Line) 55

56 Modulacja jednowartościowa Nadajnik X(f) x(t) Model pętli abonenckiej H(f) y(t) Odbiornik Y(f) T b = 1/2B H(f) B f Y(f)=X(f)H(f) y(t)=x(t) h(t) * t t T b 0 1/2B 2/2B 3/2B 56

57 Twierdzenie Nyquista Maksymalna szybkość R s transmisji symboli bez interferencji międzysymbolowych w kanale o transmitancji H(f) pokazanej na rysunku jest ograniczona i wynosi: R s = 2B 57

58 Twierdzenie Nyquista W praktyce funkcja transmitancji pętli abonenckiej ma kształt inny niż prostokątny H(f) p=0 p=1 B f Oznacza to, że szybkość transmisji będzie mniejsza, niż to wynika z twierdzenia Nyguista: R s = 2B/(1+p) 58

59 Modulacja wielowartościowa Różnicując amplitudę impulsów można zwiększyć szybkość transmisji symboli bez interferencji międzysymbolowych s 3 s 3 s 2 s 2 s 1 s 1 s 1 s 1 s 1 T b s 1 s 1 s 1 s 1 s 1 s 0 t 0 1/2B 2/2B 3/2B s 0 Niech s n odpowiada dwóm kolejnym bitom, i tak: s 0 - (00) ; s 1 - (01) ; s 2 - (10) ; s 3 - (11), wówczas szybkość transmisji bitów wzrośnie 2-razy. 59

60 Modulacja wielowartościowa Ogólnie, jeżeli liczba różnych amplitud impulsów reprezentujących symbole s wynosi M, to każdy symbol może reprezentować sekwencję m-bitową: M=2 m m=log 2 M Maksymalna szybkość R b transmisji bitów bez interferencji międzysymbolowych w kanale w takim przypadku wynosi: R b = 2B log 2 M / (1+p) 60

61 Twierdzenie Shannon a-hartley a Czy zwiększając odpowiednio liczbę poziomów M można uzyskać dowolną szybkość transmisji w kanale analogowym? Nie, ponieważ w kanale zawsze występuje szum. Twierdzenie Shannon a-hartley a C= 2B log 2 (1+S/N) 1/2 [b/s] gdzie: C - pojemność kanału, S - moc sygnału, N - moc szumu. 61

62 Twierdzenie Shannon a-hartley a Z twierdzenia Shannon a-hartley a wynika, że maksymalna osiągalna efektywność widmowa transmisji n max w kanale wynosi: n max = log 2 (1+S/N) [b/s/hz] Przykład: S/N = 30 db, n max = 10 b/s/hz 62

63 Twierdzenie Shannon a-hartley a Jeżeli stosunek mocy sygnału mocy szumu zależą od częstotliwości to pojemność kanału należy przedstawić w postaci: C f = g f d log S( f ) log 2 (1 + ) N( f ) S( f ) N( f ) df (1 log 2 S( f + N( f ) ) ) Pole = pojemność f f d f g 63

64 Twierdzenie Shannon a-hartley a Z twierdzenia Shannon a-hartley a wynika, że: M = (1 + S/N) 1/2 Dla sygnału użytecznego o mocy S i sygnału szumu o mocy N, maksymalna amplituda wynosi: S + N Amplituda sygnału szumu wynosi: 64

65 Twierdzenie Shannon a-hartley a amplituda amplituda N czas N czas N - amplituda szumu - skok amplitudy impulsu 65

66 Modulacja QAM A φ(t) x( t) = Acos[2p f + ( t)] 66

67 67 Modulacja QAM p + p = = + = p + p = + p = n n q n I Q Q I Q I t f nt t g i t f nt t g i t s t s t s t t s t s A t t f t s t f t s t s t t f A t s )sin 2 ( )cos 2 ( ) ( ) ( ) ( arctg ) ( ) ( ) ( ) ( ) )sin(2 ( ) )cos(2 ( ) ( )] ( cos[2 ) ( i n i q i q A n (t)

68 Modulacja QAM q Przykłady konstelacji q i i 16 QAM 64 QAM 68

69 Kanał transmisyjny q 16 QAM q i i Różna amplituda, jednakowa faza Jednakowa amplituda, różna faza 69

70 Modulacja QAM amplituda czas Zmiana: fazy - fazy i amplitudy - amplitudy 70

71 Systemy ADSL 71

72 Koncepcja ADSL Urządzenie abonenckie UA Miedziana para symetryczna Urządzenie centralowe UC 72

73 Podział pasma FDM pasmo telefoniczne 4 k 26k 134k 1,1MHz pasmo w górę pasmo w dół pasmo używane równocześnie, w górę albo w dół EC 4 k 26k 134k 1,1MHz 73

74 Podział pasma 4 khz Х Х Х Х Х Х f 0 25, khz 4,3125 khz 74

75 SIEĆ WĄSKO- PASMOWA SIEĆ SZEROKO- PASMOWA Interfejs. Model odniesienia Interfejs. SIEĆ KLIENTA V - C T - R T - S SM ATU C ATU R DSLAM MODEM SM U - C2 U - C U - R U - R2 PSTN HPF LPF SPLITER pętla HPF LPF SPLITER POTS TELEFON MODEM 75

76 Multipleksacja/synchronizacja Model odniesienia nadajnika ATU bity bity i wzm. ATM0 ATM1 AS0 TC AS1 AS2 AS3 LS0 TC LS1 LS2 NTR QAM crc f crc l Skrambler FEC Skrambler FEC przeplot IDFT N N-1 0 R/S C/A EOC/AOC ib A B C Z i Objaśnienia: ATU-C STM: N=511, i=0,...,255 ATU-C ATM: N=511, i=0,...,255 ATU-R STM: N= 63, i=0,...,31 ATU-R ATM: N=63, i=0,...,31 tylko w wersji ATM opcjonalnie, tylko w wersji STM 76

77 Przeplot blokowy UKŁAD PRZEPLATAJĄCY wpis odczyt OPÓŹNIENIE WYNOSI : 4x7=28 BITÓW 77

78 Przeplot Ramka A Ramka B Ramka C Ramka D A1 A2 A3 A4 B1 B2 B3 B4 C1 C2 C3 C4 D1 D2 D3 D4 Sygnał przed przeplotem A1 B1 C1 D1 A2 B2 C2 D2 A3 B3 C3 D3 A4 B4 C4 D4 Sygnał po przeplocie Impulsowy sygnał zakłócający A1 B1 C1 D1 A2 B2 C2 D2 A3 B3 C3 D3 A4 B4 C4 D4 Sygnał odebrany przed rozplotem Ramka A Ramka B Ramka C Ramka D A1 A2 A3 A4 B1 B2 B3 B4 C1 C2 C3 C4 D1 D2 D3 D4 Sygnał odebrany po rozplocie 78

79 Pasma elementarne khz N SC =256 Х Х Х Х Х Х f [khz] 0 25,875 f max =1104 4,3125 khz 79

80 Uzgadnianie szybkości transmisji 8 η 8 η 8 η 8 η 8 η 4 1 f f f 1 f 1 f 8 η 8 η 8 η 8 η 4 1 f f f 1 f transmisja z zadaną widmową efektywnością η [b/s Hz] - bez błędów transmisja z zadaną widmową efektywnością wykrywane błędy 80

81 Zasada przydziału częstotliwości nośnych η [b/s Hz] 8 4 numer przydzielonej nośnej nr pasma elementarnego bity z bufora z przeplotem bity z bufora danych szybkich 81

82 Koder DMT 1000 ramka (strumień bitów reprezentowany przez jeden symbol DMT) Kodowanie i przydział nośnej Skalowanie wzmocnienia Obliczanie IDFT 82

83 Prefiks L CP symbolu DMT liczba próbek 2N sc czas trwania T 0 Próbki prefiksu dodanie prefiksu L CP 2N sc czas trwania T p czas trwania T 0 83

84 Koder DMT 1000 ramka (strumień bitów reprezentowany przez jeden symbol DMT) Kodowanie i przydział nośnej Skalowanie wzmocnienia Obliczanie IDFT 84

85 Koder DMT μs 14,7059 μs 250 μs 14,7059 μs 250 μs = Zmiana częstotliwości nośnych I tworzenie prefiksów 250 μs 85

86 Koder DMT ,2941 μs 231,88402 μs + = 14,7059 μs 250 μs 14,7059 μs 250 μs 14, μs 246,3768 μs 250 μs Tworzenie sygnału wyjściowego (symbolu DMT) 86

87 Modyfikacje systemów ADSL ADSL lite ADSL 2 ADSL 2Re ADSL 2+ 87

88 Modyfikacje systemów ADSL wprowadzenie mechanizmu zarządzania mocą nadawanych sygnałów możliwość zmiany szybkości transmisji bez zrywania połączenia możliwość łączenia kilku par miedzianych w celu utworzenia jednego kanału niezależna optymalizacja parametrów transmisji dla różnych usług zdefiniowanie trybu pracy dla transmisji pakietowej 88

89 Podział pasma w systemach ADSL2+ POTS w górę w dół POTS w górę w dół 25, , [khz] 25, [khz] 89

90 Podział pasma w systemach ADSL2Re POTS w górę w dół W dół f 1 f khz 552 khz W górę f 1 25,875 f 1 f 2 [khz] Typ 1 133,6875 khz FDM Typ 2 60,375 khz 90

91 Systemy VDSL 91

92 E/O/E E/O/E Warianty instalacji systemów VDSL Warianty instalacji systemów VDSL CO OLT ONU VDSL DSLAM modem VDSL DSLAM modem VDSL DSLAM modem 92

93 Pasma elementarne w VDSL 4 khz N sc Х Х Х Х Х Х f [khz] 0 25, F max 4,3125 khz 93

94 Strumienie binarne z bloku TPS-TC Adaptacja i synchronizacja Schemat blokowy nadajnika VTU VDSL Skrambler FEC Skrambler FEC przeplot Tworzenie ramki R/S okienkowanie do splitera PMS-TC tor szybki bity PMD bity i wzm. czas ochronny sufiks crc f N-1 2N IDFT C/A crc l tor wolny 0 1 prefiks 94

95 Rola sufiksu prefiks sufiks Symbol odbierany NEXT Symbol nadawany Sygnał analizowany czas Δ 2N. T p 95

96 Przykłady ortogonalności sygnałów a) b) c) sufiks czas czas czas prefiks próbki sygnału wstawiane do: sufiksu - prefiksu czas czas czas rozpatrywany przedział czasu rozpatrywany przedział czasu prefiks rozpatrywany przedział czasu sufiks 96

97 Prefiks, sufiks i okienkowanie L C P L C S Próbki symbolu DMT prefiks 2N sc sufiks Dodanie prefiksu i sufiksu L C P 2N sc L C S Okienkowanie β 2N sc + L CP + L CS - β β 97

98 Widmowa gęstość mocy w systemach VDSL widmowa gęstość mocy [dbm/hz] linia bez odczepu nadawany sygnał VDSL linia z odczepem NEXT odbierany sygnał VDSL FEXT -140 szum termiczny i tłowy częstotliwość [MHz] 98

99 tłumienie [db] Tłumienność pary miedzianej km AWG 26 (0,4 mmm) 60 1 km AWG 24 (0,5 mmm) ,3 km AWG 26 (0,4 mmm) 0,3 km AWG 24 (0,5 mmm) częstotliwość [MHz] 99

100 opóźnienie [μs] Opóźnienie w parze miedzianej 10 8,0 1,5 km AWG 26 (0,4 mmm) 6,0 4,0 1 km AWG 26 (0,4 mmm) 2,0 0, częstotliwość [MHz] 0,3 km AWG 26 (0,4 mmm) 100

101 Profile VDSL2 w architekturze dostępowej CO OLT FTTB ONU VDSL DSLAM modem Profil: 30a OLT FTTC ONU VDSL DSLAM modem Profil: 17a VDSL DSLAM modem Profil: 8a,b,c,d, 12a,12b 101

102 Profile standardu 997 (VDSL2) Profil 17a Profil 12a, 12b Profil 8a, 8b, 8d Profil 8c Profil 30a 8,5M częstotliwość [Hz] 4 k 26k 138k 3,0M 5,1M 7,05M 12M 30M pasmo telefoniczne pasmo w górę pasmo w dół pasmo używane opcjonalnie, w górę albo w dół 102

103 Profile standardu 998 (VDSL2) Profil 17a Profil 12a, 12b Profil 8a, 8b, 8c, 8d Profil 30a częstotliwość [Hz] 4 k 26k 138k 3,75M 5,2M 8,5M 12M 30M pasmo telefoniczne pasmo w górę pasmo w dół pasmo używane opcjonalnie, w górę albo w dół 103

104 Podział pasma plan japoński) Profil 12a, 12b Profil 8a, 8b, 8c, 8d Profil 17a Profil 30a 17,884M częstotliwość [Hz] 4 k 26k 138k 3,75M 5,2M 8,5M 12M pasmo telefoniczne 18,1M 30M pasmo w dół pasmo w górę pasmo używane opcjonalnie, w górę albo w dół 104

105 Pasma elementarne VDSL2 Profile 8a,b,c,d, 12a,12b, 17a 4 khz N sc Х Х Х Х Х Х f [khz] 0 25, F max 4,3125 khz Profil 30a 8 khz N sc Х Х Х f [khz] 0 25, F max 8,625 khz 105

106 Systemy i sieci dostępowe HFC/CATV 106

107 Modernizacja sieci telewizji kablowej Stacja czołowa Sieć magistralna o Sieć transmisyjna o o o o o Sieć abonencka TV TV TV Wzmacniacz magistralny Wzmacniacz optyczny /regenerator Węzeł optyczny Rozgałęźnik Odgałęźnik o Kabel koncentryczny Kabel światłowodowy 107

108 Struktura sieci telewizji kablowej Sieć dystrybucyjna koncentryczna Sieć optyczna Sieć magistralna WO WM RSC regionalna stacja czołowa Główna Stacja czołowa WO węzeł optyczny RSC RSC RSC koncentrator koncentrator WO WO WO WO WM WM WM WM WM wzmacniacz magistralny 108

109 Struktura sieci telewizji kablowej Instalacja mieszkaniowa Sieć magistralna Sieć dystrybucyjna Sieć budynkowa TV WB OD WM WD WB OB R modem TV WB WO wzmacniacz magistralny WD wzmacniacz dystrybucyjny WB wzmacniacz budynkowy OD odgałęźnik dystrybucyjny OB odgałęźnik budynkowy R rozgałęźnik 109

110 UKF Dolne pasmo specjalne S01-S Wykorzystanie pasma w sieciach HFC Zakres III K06-K Górne pasmo specjalne S09-S Rozszerzone pasmo Specjalne S18-S Zakres IV K21-K Zakres V K38-K Telewizja kablowa + radio częstotliwość [MHz] 110

111 5 Transmisja cyfrowa w górę UKF Wykorzystanie pasma w sieciach HFC Telewizja analogowa 450 Transmisja cyfrowa w dół 862 Telewizja kablowa + radio + transmisja danych częstotliwość [MHz] 111

112 1550 nm PON z CATV WDM OLT 1310 nm 1490 nm ONT ONT 1550 nm ONT telefon PC V-OLT TV 112

113 Porównanie wersji standardu DOCSIS DOCSIS 1.0 DOCSIS 1.1 DOCSIS 2.0 DOCSIS 3.0 Modulacja 64/256 QAM 64/256 QAM 64/256 QAM 64/256 QAM Przepływność 38/50 Mb/s 38/50 Mb/s 38/50 Mb/s >160 Mb/s Modulacja QPSK QPSK/16 QAM QPSK/8-64 QAM QPSK/8-64 QAM Przepływność 0,32-5,12 Mb/s 0,32-10,24 Mb/s 0,32-30,72 Mb/s >120 Mb/s TDMA, RS TDMA, RS, QoS, VoIP TDMA/SCDMA Przeplot, QoS, wideofonia TDMA/SCDMA Przeplot, QoS, VoD, wideofonia, Set-Top-Box, Zmienność pasma, IPv6 113

114 Dostępność usług w standardzie DOCSIS Usługa DOCSIS v.1.0 v.1.1 v.2.0 v.3.0 Internet szerokopasmowy tak tak tak tak VoIP nie tak tak tak wideokonferencje nie nie tak tak usługi komercyjne nie nie tak tak wideo na żądanie nie nie nie tak dostęp bezprzewodowy nie nie nie tak 114

115 Sieci i systemy FTTX Sławomir Kula Instytut Telekomunikacji Wydział Elektroniki i Technik Informacyjnych Politechnika Warszawska październik 2014 r.

116 Sławomir Kula IT PW 116 Program Cz.1 Sławomir Kula 1. Wprowadzenie 2. Systemy xpon - systemy BPON - systemy EPON - systemy GPON - systemy xgpon - systemy 10GEPON - systemy >10GPON

117 Sławomir Kula IT PW 117 Systemy i sieci xpon Wprowadzenie

118 Usługi a szybkość transmisji User/services needs: Now 25-50Mbps, near future: Few hundreds of Mbps! New QoS demanding services (HD videoconferencing, 3D TV etc ) Źródło: I Tomkos AIT Sławomir Kula IT PW 118

119 Sławomir Kula IT PW 119 Systemy dostępowe - xdsl - HFC - FITL (FTTx) - radiowe

120 Sławomir Kula IT PW 120 Optyczne systemy dostępowe FTTx Warianty FTTx FTTEx FTTA Rozwinięcie skrótu x Exchange Area Inna nazwa/skrót Fiber To The Central Office/FTTCO FTTArea Fiber To The Zone/FTTZ FTTCab Cabinet - FTTC Curb FTTCurb FTTH Home Fiber To The Premises/FTTP Fiber To The User/FTTU FTTB Building Fiber To The Office

121 Wybrane warianty optycznych sieci dostępowych FTTx Topologia sieci gwiazda pierścień Architektura pasywna aktywna Elementy sieci ODN Splitter mocy WDM filtr Filtr + splitter Kaskada RN Stacked TDMA TDM PON OFDM PON CDMA PON WDM PON WDM xxma WDM PON +L1/L2 AON Technologia EPON BPON elektr. optyczne CWDM WDM+TDMA 10GEPON GPON DWDM WDM+OFDMA Realizacja XGPON UWDM WDM+CDMA WDM+SCMA Sławomir Kula IT PW 121

122 Sławomir Kula IT PW 122 Możliwe rozwiązania optycznych sieci dostępowych FTTX Systems Topology Tree-based FTTX Ring-based FTTX Mesh-based FTTX Architecture Dedicated Fiber Infrastructure Shared (Feeder) Fiber Infrastructure Passive Active Passive Active Passive Active Remote Node (RN) Design Passive RN (patch-thru) Active RN Active + passive Cascaded RNs Power Splitter WDM Filter Hybrid (Filter + Splitter) Active RN OADM OXC, ROADM Active RN Technology RoF Ethernet WDM-PON +L1/2 AON TDM-PON Stacked TDMA OFDM PON CDMA PON WDM-PON WDM+XXMA Hybrid RPR TDM Ethernet WDM Ethernet Realization 1G 10G GPON EPON Optical OFDM Analog Digital DWDM XG-PON 10G-EPON DD TV/Mobile OBSAI + 10G L2 40G-TDM Digital DWDM 4-8 w/ CPRI + 10G L1 XG-PON Electrical OFDM O-CDMA Coh. E-CDMA HFC CWDM DWDM SFP Tunable ONU Arrayed OLT UDWDM Coh. Seeded Reflective WDM+ TDMA WDM+ SCMA WDM+ CDMA WDM+ OFDMA DWDM 10G 100G

123 Sławomir Kula IT PW 123 Ogólny model odniesienia AF ONU/ONT ONU/ONT ODN OLT UNI R/S S/R SNI System zarządzania ONU optyczna jednostka sieciowa ONT zakończenie sieci optycznej OLT optyczne zakończenie linii ODN optyczna pasywna sieć dystrybucyjna SNI interfejs usługowy UNI interfejs użytkownika AF - funkcje adaptacji

124 Rodzaje transmisji dwukierunkowej w sieciach ODN Rodzaje transmisji dwukierunkowej w sieciach ODN Rodzaj transmisji Liczba włókien Długość fali Rodzaj multipleksacji Simplex 2 jedna SDM Diplex 1 jedna TDM Duplex 1 dwie WDM Sławomir Kula IT PW 124

125 Sławomir Kula IT PW 125 Optyczne systemy dostępowe xpon Topologia Architektura Elementy sieci ODN Technologia Realizacja

126 Sławomir Kula IT PW 126 Architektura a topologia Architektura sieci określa sposoby realizacji przekazu informacji pomiędzy urządzeniami końcowymi. Przeważnie organizowana warstwowo tworząc warstwową architekturę sieci. Topologia fizyczna sieci opisuje fizyczną realizację sieci, jej układu przewodów, mediów transmisyjnych.

127 Sławomir Kula IT PW 127 Topologia sieci xpon OLT ONU ONU S ONU OLT ONU ONU S S magistrala gwiazda ONU ONU pierścień S ONU OLT S ONU ONU ONU ONU OLT ONU podwójna gwiazda

128 Sławomir Kula IT PW 128 Architektura sieci xpon Dedykowane włókno Dzielone włókno Point to point Point to multipoint OLT ONU ONU ONU ONU OLT ONU ONU ONU ONU Spliter pasywny 1:N

129 Sławomir Kula IT PW 129 Optyczne systemy dostępowe FTTx Technologia Ethernet TDM-PON WDM-PON OFDM-PON CDMA-PON Realizacja 1GbE EPON DWDM Optical Optical 10GbE GPON CWDM Electrical Electrical 100GbE 10G-EPON UWDM XG-PON BPON APON

130 Sławomir Kula IT PW 130 Wymagania warstwy fizycznej xpon Zasięg maksymalny: 10 albo 20 km Długość fali: w dół 1490 nm, w górę 1310 nm Splitery pasywne:: N maksymalnie 128 (typowo 32) Budżet mocy: Klasa A; P = 20 db Klasa B: P = 25 db Klasa B+: P = 28 db Klasa C: P = 30 db margines systemowy M = 3-10 db

131 Pasywny rozdzielacz Sławomir Kula IT PW 131 OLT Jak rozwiązać problem transmisji dwukierunkowej? WDM Wavelength Division Multiplexing λ 1 ONU1 ONU2 λ ONU3 λ 3 ONU4 λ 4 Transmisja do OLT

132 Pasywny rozdzielacz Sławomir Kula IT PW 132 OLT Jak rozwiązać problem transmisji dwukierunkowej? TDMA Time Division Multiple Access ONU1 ONU ONU3 ONU4 Transmisja do OLT

133 Pasywny rozdzielacz Sławomir Kula IT PW 133 OLT Jak rozwiązać problem transmisji dwukierunkowej? SCMA SubCarrier Multiple Access λ 0 ONU1 ONU2 λ ONU3 λ 0 ONU4 λ 0 Transmisja do OLT λ 0

134 Sławomir Kula IT PW 134 Systemy i sieci xpon Systemy BPON Broadband Passive Optical Networks 1998 ITU-T G.983.x

135 Sławomir Kula IT PW 135 Używane zakresy fal - BPON 100 nm 100 nm jedno włókno [nm] w górę w dół 100 nm dwa włókna [nm] w górę i w dół 100 nm 20 nm 26 nm jedno włókno [nm] w górę w dół w dół, w tym wideo

136 Sławomir Kula IT PW 136 Szybkość transmisji BPON Kierunek transmisji Szybkość transmisji [Mb/s] 155,52 w dół 622, ,16 w górę 155,52 622,08

137 Sławomir Kula IT PW 137 Szybkość transmisji BPON Kierunek transmisji Szybkość transmisji [Mb/s] 155,52x(54/56)= 149,97 w dół w górę 622,08x(54/56)= 599, ,16x(54/56)=1192, ,2 588,8

138 Sławomir Kula IT PW 138 Zasięg fizyczny a zasięg logiczny Fizyczny zasięg systemu - maksymalna dopuszczalna długość toru światłowodowego łączącego jednostkę OLT z jednostką ONU Logiczny zasięg systemu - maksymalna dopuszczalna odległość toru światłowodowego łączącego jednostkę OLT z jednostką ONU, gdyby pominąć ograniczenia wprowadzane przez warstwę fizyczną. Uwaga: zasięg logiczny nie może być mniejszy niż zasięg fizyczny. W przypadku systemu BPON zasięg fizyczny wynosi 10 albo 20 km a zasięg logiczny 20 km..

139 Sławomir Kula IT PW 139 Systemy i sieci xpon Systemy EPON Ethernet Passive Optical Networks czerwiec 2004, IEEE802.3ah

140 Sławomir Kula IT PW 140 Używane zakresy fal - EPON 80 nm 20 nm [nm] w górę w dół

141 Sławomir Kula IT PW 141 Szybkość transmisji EPON Kierunek transmisji Szybkość transmisji [Mb/s] w dół 1244,16 w górę 1244,16

142 Sławomir Kula IT PW 142 Pasywny rozdzielacz PON TDM ONU ONU ONU OLT ONU Transmisja do abonenta

143 Sławomir Kula IT PW 143 Pasywny rozdzielacz PON TDMA ONU ONU ONU OLT ONU Transmisja do OLT

144 Sławomir Kula IT PW 144 TDMA - diagram czasowy transmisji okres ochronny t AGC t CDR dane t AGC t CDR dane włączanie lasera wyłączanie lasera włączanie lasera wyłączanie lasera

145 Sławomir Kula IT PW 145 Proces pomiaru czasu RTT OLT T1 T1 T2 T3 (T3 T2) T5 T4 czas = ONU T6 T1 T1 (T4 T1) T4 T4 czas zmiana czasu w jednostce ONU na T1 RTT=T2 T1 + T5 T3 = T5 T4

146 Sławomir Kula IT PW 146 Proces autowykrywania jednostek ONU okno wykrywania min RTT max RTT OLT brama wykrywania Slot wykrywania Slot wykrywania Slot wykrywania czas ONU1 Slot wykrywania czas ONU2 Slot wykrywania czas ONUn Slot wykrywania czas

147 Sławomir Kula IT PW 147 Proces autoodkrywania jednostek ONU okno wykrywania OLT brama wykrywania czas kolizja ONUi ONUj czas czas

148 Sławomir Kula IT PW 148 Proces autoodkrywania jednostek ONU Slot wykrywania opóźnienie losowe żądanie rejestracji dopełnienie do 64 bajtów

149 Sławomir Kula IT PW 149 Systemy i sieci xpon Systemy GPON Gigabit-capable Passive Optical Networks 2003 ITU-T G.984.x

150 Sławomir Kula IT PW 150 GPON a BPON interfejs Ethernet zwiększenie szybkości transmisji zwiększenie bezpieczeństwa ramki GTC (GPON Transmission Convergence z GEM (GPON Encapsulation Method)

151 Sławomir Kula IT PW 151 Model odniesienia - GPON UNI AF NE ONU/ONT R/S WDM ODN WDM S/R OLT NE SNI Węzeł usługowy System zarządzania AF funkcja adaptacji ONU optyczna jednostka sieciowa ONU optyczne zakończenie linii ODN optyczna sieć dystrybucyjna SNI interfejs usługowy UNI interfejs użytkownika

152 Sławomir Kula IT PW 152 Używane zakresy fal - GPON 100 nm 20 nm jedno włókno [nm] w górę w dół 100 nm dwa włókna [nm] w górę i w dół

153 Sławomir Kula IT PW 153 Szybkość transmisji w sieciach GPON Kierunek transmisji Szybkość transmisji [Mb/s] w dół 2488,32 w górę 1244, ,32

154 Sławomir Kula IT PW 154 Systemy i sieci xpon Systemy 10GPON 10Gigabit-capable Passive Optical Networks 2010 ITU-T G.987.x

155 XGPON1 GPON Sławomir Kula IT PW 155 GPON XGPON1 Używane zakresy fal - 10GPON 5 nm opcja 1 opcja 2 opcja x 1625 [nm] w górę w dół

156 Sławomir Kula IT PW 156 Szybkość transmisji - 10GPON Rodzaj systemu Szybkość transmisji w dół [Gb/s] Szybkość transmisji w górę [Gb/s] XGPON1 10 2,5 XGPON

157 Sławomir Kula IT PW 157 Systemy i sieci xpon Systemy 10GEPON 10Gigabit Ethernet Passive Optical Networks 2009 IEEE 802.3av

158 : Sławomir Kula IT PW 158 Proces standaryzacji Data Przebieg standaryzacji wrzesień 2006 Rozpoczęcie prac nad standardem IEEE 802.3av grudzień styczeń 2009 wrzesień 2009 Draft D 1.0, 2.0 i 3.0 Przyjęcie standardu

159 Sławomir Kula IT PW 159 Używane zakresy fal - 10GEPON 20 nm 5 nm [nm] w górę w dół

160 Sławomir Kula IT PW 160 Porównanie sieci PON Akronim Standard Szybkość transmisji w dół [Mb/s] Szybkość transmisji w górę [Mb/s] Kod transmisyjny APON ITU G A.1 155,52/622,08 155,52/622,08 NRZ BPON ITU-T G ,52/622,08 155,52/622,08 NRZ GPON (ATM) ITU G A.2 155,52/622,08/1244,16 155,52/622,08 NRZ GPON (GEM) ITU G ,16/2488,32 155,52/622,08/1244,16 NRZ 10GPON ITU G ,5/10 NRZ EPON IEEE 802.3ah 1244, ,16 8b/10b 10GEPON IEEE 802.3av 10300(1250) 10300(1250) 8b/10b

161 Sławomir Kula IT PW 161 Porównanie sieci PON Akronim Typowy zasięg [km] Typ światłowodu Spliter APON 20 G.652 (1 albo2) do 32 BPON 20 G.652 (1) do 32 GPON (ATM) 20 G.952 (1 albo 2) do 32 GPON (GEM) 10, 20, >20 G.952 (1 albo 2) do 64 / do GPON (GEM) 10, 20, >20 G.952 (1 albo 2) do 64 / do 128 EPON 10/ Base-PX10 (1) 1000Base-PX20 (2) do 16 / do 32 10GEPON 10/ Base-PX10 (1) 1000Base-PX20 (2) 32

162 Sławomir Kula IT PW 162 Porównanie sieci PON Architektura Akronim Usługi TDM Symetryczna Asymetryczna APON FTTCab//B/C/H FTTCab/B/C komórki ATM BPON FTTCab//B/C/H FTTCab/B/C komórki ATM GPON (ATM) FTTCab//B/C/H FTTCab/B/C komórki ATM GPON (GEM) FTTCab//B/C/H FTTCab/B/C/H ATM, pakiety, GEM GPON (GEM) FTTCab//B/C/H FTTCab/B/C/H ATM, pakiety, GEM EPON 1000Base-PX10, /20 pakietu GEPON 1000Base-PX10, /20 pakiety

163 przepływność binarna [Mb/s] Sławomir Kula IT PW 163 Wybór technologii budowy sieci dostępowej 1000 PON 100 VDSL2 DOCSIS 10 0 ADSL [km] długość linii [km]

164 Porównanie sieci i systemów dostępowych Cecha xdsl HFC FITL wpływ pasma na zasięg bardzo duży duży bardzo mały wykorzystanie toru jeden użytkownik wielu użytkowników równocześnie jeden albo wielu użytkowników wybór dostawcy usług tak nie nie maksymalna dostępna szybkość transmisji dla użytkownika w górę / w dół w [Mb/s] ADSL 0,8/8 ADSL2+ 3,36/30,36 VDSL2 ok. 200 (łącznie, podział symetryczny bądź asymetryczny) DOCSIS 1.1: 10,24/51,2 DOCSIS 2.0: 30,72/51,2 DOCSIS 3.0: > 120 / > 160 w dół BPON: 622,08/1024,16 GPON: 2488,32/2488,32 EPON: 1250/1250 zasięg dla maksymalnej szybkości [km] ADSL/ADSL2+/VDSL2 około 4 km/1km/300 m kilkaset metrów od wzmacniacza 20 km dostępność rozwiązania powszechna przede wszystkim w miastach w niewielkim stopniu 164

165 Dziękuję za uwagę Sławomir Kula IT PW 165