Sieci telekomunikacyjne Sieci optyczne: przyszłość czy teraźniejszość mgr inż. Rafał Watza Katedra Telekomunikacji AGH Al. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków, Polska tel. +48 12 6174034, fax +48 12 6342372 e-mail: watza@kt.agh.edu.pl
Plan Wprowadzenie Sieci optyczne, topologie Elementy sieci optycznych Przełącznice optyczne Komutatory optyczne Estymacja ruchu w sieci Internet Alternatywne architektury warstwowe Gwarancje jakościowe w sieciach optycznych Podsumowanie Rafał Watza watza@kt.agh.edu.pl 2
Budowa i rodzaje światłowodów Rdzeń wewnętrzny Płaszcz zewnętrzny (inna gęstość) Grubości Światłowody jednomodowe Światłowody wielomodowe Rafał Watza watza@kt.agh.edu.pl 3
Idea przesyłania sygnału elektrycznego jako fala świetlna Zamiana postaci elektrycznej sygnału na odpowiednie długości fali świetlnych (modulacja częstotliwości) Rafał Watza watza@kt.agh.edu.pl 4
(D)WDM zwielokrotnienie Wiele różnych strumieni jest zamienianych na różne długości fali świetlnej i umieszczane we wspólnym włóknie FO Rafał Watza watza@kt.agh.edu.pl 5
Szybkości w sieciach optycznych Szybkość promienia światła: ~ 3 x 10 8 m/s Szybkość transmisji danych: taka, jak strumienia warstwy wyższej. Np. SDH: 140 Mb/s, 620 Mb/s, 2.5 Gb/s, 10 Gb/s Np. ATM: 34 Mb/s, 155 Mb/s Np. IP: 10 Mb/s, 100 Mb/s, 1000 Mb/s Obowiązuje takie samo nazewnictwo jak SDH / SONET (STM-x, OC-x) Rafał Watza watza@kt.agh.edu.pl 6
Stosowane topologie sieci Punkt Punkt Pierścieniowa Oczkowa Kratowa Mieszana Rafał Watza watza@kt.agh.edu.pl 7
Wyspy całkowicie optyczne OXC OXC OXC Sieci dalekodystansowe (100-1000 km) OXC OEO OXC Sieci miejskie OXC (10-100 km, pierścień) Sieci dostępowe (1-10 km, pierścień, magistrala) OXC OXC OXC OADM OXC OADM OADM Użytkownicy Ruter LAN (0-2 km, gwiazda, magistrala) Ruter GigE GigE GigE Ruter Źródło: P. Green, IEEE Comm. Mag., Jan. 2001 Rafał Watza watza@kt.agh.edu.pl 8
Warunki sukcesu sieci całkowicie optycznych Lepsze zrozumienie możliwych architektur Rozwój przełącznic całkowicie optycznych Zwiększenie liczby kanałów o dużych przepływnościach Nowe rodzaje światłowodów i wzmacniaczy Dłuższe drogi optyczne Tańsze technologie Source: P. Green, IEEE Comm. Mag., Jan. 2001 Rafał Watza watza@kt.agh.edu.pl 9
Urządzenia pracujące w sieci optycznej Przełącznice OXC Konwertery OEO De/Multiplexery OADM Regeneratory Strojone filtry i lasery Przewody elektryczne Zespół MEMS wyjściowy Soczewki wyjściowe Włóknaó wyjściowe Elementy MEMS Włókna wejściowe Soczewki wejściowe Zespół MEMS wejściowy Obudowa hermetyczna Przewody elektryczne * z materiałów Lucent Technologies Rafał Watza watza@kt.agh.edu.pl 10
Typy przełącznic optycznych O/E Rdzeń elektryczny E/O O/E/O Rdzeń optyczny O/E/O Rdzeń optyczny Rafał Watza watza@kt.agh.edu.pl 11
Możliwości przełączające przełącznic optycznych λ 1 λ 2 λ 1 λ 2 λ 1 λ 1 λ 2 λ 2 λ 3 λ 1 λ 2 λ 4 Rafał Watza watza@kt.agh.edu.pl 12
Przełącznice WSXC (Wavelength Selective Crossconnect ) λ 1 λ 1 λ 1 1 D λ m M 1 1 D λ m Komutator optyczny λ 1 λ m M 1 n D λ 1 M n n D λ 1 Komutator optyczny M n λ m Nierekonfigurowalna przełącznica selektywna λ m λ m λ 1 λ m Rekonfigurowalna przełącznica selektywna D: Demultiplekser M: Multiplekser Rafał Watza watza@kt.agh.edu.pl 13
Przełącznica WIXC (Wavelength Interchanging Crossconnect ) λ 1 λ 1 λ konw. 1 D M 1 λ m λ m λ konw. Komutator optyczny λ 1 λ 1 λ konw. n D M n λ m λ m λ konw. Rafał Watza watza@kt.agh.edu.pl 14
Klasyfikacja komutatorów optycznych Z komutacją w wolnej przestrzeni Falowodowe Elektromechaniczne Termo-optyczne Elektro-optyczne Z ruchomym falowodem SiO 2 Polimerowe Dielektryczne Ciekłokrystaliczne Z odchylaniem wiązki Z przecinającymi się falowodami Półprzewodnikowe Zwierciadlane Pryzmatyczne Kapilarne Pęcherzykowe Holograficzne Rafał Watza watza@kt.agh.edu.pl 15
Sprzęgacz kierunkowy Rafał Watza watza@kt.agh.edu.pl 16
Przełączniki interferometryczne Rafał Watza watza@kt.agh.edu.pl 17
Charakterystyki elementów falowodowych Straty Przeniki Liczba skrzyżowań falowodów Liczba podłoży Liczba przyłączonych światłowodów Własności ruchowe Możliwość realizacji połączeń wielopunktowych Liczba elementów komutacyjnych Liczba sterowników Rafał Watza watza@kt.agh.edu.pl 18
Charakterystyki elementów falowodowych Wymagania napięciowe Złożoność elementów sterujących Szybkość przełączania Szerokość przenoszonego pasma Stabilność parametrów Niezawodność, łatwość testowania i utrzymania Modularność i łatwość zwiększania pojemności Łatwość produkcji wielkoseryjnej Koszt całkowity Rafał Watza watza@kt.agh.edu.pl 19
Optyczny komutator krzyżowy Rafał Watza watza@kt.agh.edu.pl 20
Pola z diodami laserowymi Rafał Watza watza@kt.agh.edu.pl 21
Komutator czasowy A B C D Bit Multiplekser Demultiplekser SK SK SK SK SK Bit Sterownik SK Bit ER ER ER ER B A D C Bit Rafał Watza watza@kt.agh.edu.pl 22
Komutator czasowy z liniami opóźniającymi 1 Wejście Rozgałęźnik 2 3 Łącznik Wyjście k Sterownik Rafał Watza watza@kt.agh.edu.pl 23
Komutator w wolnej przestrzeni SLM Światłowody wejściowe Światłowody wyjściowe SLM: Spatial Light Modulator Rafał Watza watza@kt.agh.edu.pl 24
Przewody optyczne Wejścia Wyjścia Rozdzielacz promieni Soczewka Wyjścia Wejścia Rafał Watza watza@kt.agh.edu.pl 25
Komutacja optyczna oparta na technice MEMS MEMS: Micro-Electro-Mechanical Systems (Systemy mikroelektromechaniczne) T Systemy dwuwymiarowe T Systemy trójwymiarowe Rafał Watza watza@kt.agh.edu.pl 26
Zasada działania komutatorów MEMS 2D 3D Wyjścia Wejścia Wyjścia Wejścia Rafał Watza watza@kt.agh.edu.pl 27
Komutator zwierciadłowy 2D Rafał Watza watza@kt.agh.edu.pl 28
Mechanizm podnoszenia zwierciadła w układzie MEMS Rafał Watza watza@kt.agh.edu.pl 29
Komutator zwierciadłowy 3D Rafał Watza watza@kt.agh.edu.pl 30
Ruchome zwierciadło do komutatorów 3D Rafał Watza watza@kt.agh.edu.pl 31
Optyczne pole komutacyjne 1152 1152 (Xros) Rafał Watza watza@kt.agh.edu.pl 32
Komutator pęcherzykowy Otwór wypełniający Punkt komutacyjny Rowek Falowód Podłoże Podłoże sterownika falowodowe Rafał Watza watza@kt.agh.edu.pl 33
Zasada działania komutatora pęcherzykowego Sterownik na podłożu krzemowym Światłowody Płyn o dopasowanym współczynniku załamania Światło Falowód Krzemowe podłoże falowodowe Aktywator termiczny wyłączony: brak pęcherzyka (transmisja) Rafał Watza watza@kt.agh.edu.pl 34
Zasada działania komutatora pęcherzykowego, cd. Aktywator termiczny włączony: pęcherzyk (Odbicie) Rafał Watza watza@kt.agh.edu.pl 35
Komutator holograficzny Rafał Watza watza@kt.agh.edu.pl 36
Wzrost czy spadek ruchu Opinie z ubiegłego roku: internetowego? Internet growth has already begun a relentless process of slowing JP Morgan H&Q/McKinsey Internet traffic is down for the first time in history John Roth, Nortel Networks Has the Net Stopped Growing? [artykuł redakcyjny] The Industry Standard Rafał Watza watza@kt.agh.edu.pl 37
Wzrost ruchu internetowego w USA 1000 3.9/rok 4/rok Ruch całkowity Wzrost 240 Gbit/s 100 Gbit/s 10 ISPs 1 19 największych dostawców Internetu w USA 0.1 O4.2000 10.2000 O4.2001 Źródło: Roberts et al., 2001 Rafał Watza watza@kt.agh.edu.pl 38
Alternatywne architektury warstwowe W. 3 Ruter IP Ruter IP W. 2 W. 1 ATM SDH 1 1 2 ATM 3 SDH 4 5 5 6 FFR Warstwa optyczna 1 2 3 WDM 5 Rafał Watza watza@kt.agh.edu.pl 39
IP/WDM Ramkowanie typu SDH (SDL lub HDLC) Ramkowanie typu gigabitowy Ethernet Adresacja MPLS (GMPLS) Sygnalizacja RSVP Rafał Watza watza@kt.agh.edu.pl 40
Mechanizmy zapewniania jakości obsługi Usługi zintegrowane IS (Integrated Services) Protokół RSVP (Resource Reservation Protocol) Usługi zróżnicowane Diffserv (Differentiated Services) Protokół MPLS (Multiprotocol Label Switching) Rafał Watza watza@kt.agh.edu.pl 41
RSVP: procedura rezerwacji Nadajnik Żądania rezerwacji łączą się Ruter Ruter Odbiornik 1 Odbiornik 2 Odbiornik 3 Rafał Watza watza@kt.agh.edu.pl 42
MPLS: Przykład R Dodaj etykietę Sieć MPLS Mapa etykiet R Mapa etykiet R R Mapa etykiet Mapa etykiet Mapa etykiet R R Usuń etykietę Rafał Watza watza@kt.agh.edu.pl 43
Podsumowanie Optyczne sieci IP są uzasadnione technicznie i ekonomicznie Istnieją nadal problemy z gwarantowaniem jakości obsługi Będzie rosła rola komutacji optycznej Zasada działania sieci optycznych Opis elementów sieci optycznej Rafał Watza watza@kt.agh.edu.pl 44
Podsumowanie Rafał Watza watza@kt.agh.edu.pl 45