OM Skripta Opticke Mreze

Optoelektronske telekomunikacije

Petar Matavulj 259

6) OPTIKE MREE Sadraj: Uvod Prijemnici optikih signala Dizajn i performanse optoelektronskih sistema Dizajn optoelektronskih sistema Point-to-point linkovi Emisione i distributivne mree LAN Local area network Performanse optoelektronskih sistema Performanse pasivne linearne bus topologije Performanse star topologije Podela optoelektronskih sistema prema generacijama nastanka Sonet/Sdh Multipleksiranje Optiki interfejs UPSR i BLSR WDM mree MAC media access protocol Topologije WRN mree Performanse WDM mrea sa EDFA pojaavaima Varijante WDM mrea Dense WDM Chirped Pulse WDM Spectrum Sliced WDM Solitoni Solitonski impulsi Parametri solitona Dvodimenzioni solitoni Optiki CDMA Perspektive razvoja optoelektronskih sistema Pristupne mree Mree velikog kapaciteta Paketska komutacija u optikom domenu Zakljuak sadraj


Petar Matavulj 260

1.1 UVOD Razvoj optikih mrea je skoranji fenomen koji je postao mogu sa pronalaskom pre svega lasera 1950 godine. Nakon pronalaska lasera, dalji razvoj je postao mogu sa razvojem optikog vlakna sa malim gubicima 1970 godine. Dalji razvoj je podstaknut pronalaskom EDFA, erbium-doped fiber amplifier, pojaavaa 1980 godine. Sadanji razvoj je podstaknut korienjem dielektrinih filtara, Bragovih optikih reetki, Fiber Bragg gratings, i AWG, arrayed waveguide gratings tipa reetki, koji su u upotrebu uli devedesetih godina prolog veka.

Kad su u pitanju telekomunikacione mree koje za osnovu imaju optika vlakna, govorimo praktino o optoelektronskim sistemima za prenos, odnosno optikim mreama. Nastale su iz potrebe, da imamo mree koje obezbeuju sve vee kapacitete linkova poto veliina aplikacija koje koristimo, ali i koliina podataka koju razmenjujemo kroz mreu, imaju tendenciju stalnog porasta.

Optoelektronski sistemi za prenos se u principu mogu razdvojiti na dve generacije. Prva generacija koristi optiki kabl kao zamenu za bakarni da bi se postigli vei kapaciteti prenosa, vei protok, a predstavljaju je standardi SONET i SDH. Druga generacija predstavlja pokuaj da se ostvari jo funkcija u samom optikom domenu, kao to rutiranje i distribucija odreenih talasnih duina, i eventualno rutiranje i distribucija paketa u optikom obliku. O ovome e biti rei u poglavljima namenjenim WDM-u. Postoje dva komplementarna pristupa problemu poveanja kapaciteta optikog kabla: korienje vie talasnih duina istovremeno na jednom optikom kablu wavelength division multiplex (WDM) i tradicionalno poveanje protoka - time division multiplex (TDM). Druga generacija optikih mrea koja koristi WDM se nalazi jo u povoju, praktino tek izlazi iz laboratorija u komercijalnu upotrebu. Distribucija optikih paketa je jo u poetnom razvoju i ograniena je nedostacima optikih bafera i trenutnim stanjem optike distribucione tehnologije. Da bi ostvarili dalji razvoj druge genercije optikih mrea treba se baviti smanjivanjem efekata transmisije kroz optiki kabl, kao to su disperzija, nelinearni efekti u kablu, neravnomerni spektar pojaanja kod optikih pojaavaa i efekte polarizacije i depolarizacije. 1.2. PRIJEMNICI OPTIKIH SIGNALA Prijemnik konvertuje optiki signal u upotrebljivi elektrini signal i prikazan je na sl.1. Foto-detektor generie elektrini signal proporcionalan dolaznoj optikoj snazi. Pojaava pojaava dobijeni elektrini signal do nivoa koji je dovoljan za dalju upotrebu. U digitalnim sistemima iza pojaavaa se nalazi kolo za odluivanje koje estimira vrednost signala iz pojaavaa. Dizajn kola za odluivanje zavisi od tipa modulacije koja je upotrebljena pri prenosu podataka kroz optiki medijum. Ispred foto-detektora moemo staviti optiki pojaava, kao pred-pojaava ako oekujemo vrlo nizak nivo optikog signala na ulazu u prijemnik.

Sl.1 Blok dijagram prijemnika u digitalnom komunikacionom sistemu


Petar Matavulj 261

Foto-detektori se prave od poluprovodnikih materijala. Dolazni fotoni u poluprovodniku bivaju apsorbovani od strane elektrona u valentnoj zoni. Kao posledica, elektroni postiu veu energiju i bivaju eksitovani u provodnu zonu ostavljajui za sobom upljinu u valentnoj zoni. Kad je poluprovodnik prikljuen na spoljni napon, ovi parovi elekron-upljina podiu vrednost elektrine struje, koje nazivamo foto-struja.

Kao foto-detektor koristimo diodu u inverznom reimu rada, pri inverzno polarisanom pn spoju. Da bi unapredili foto-detektore, umesto obinih pn spojeva koristimo dve specijalne vrste dioda, odnosno pin fotodiode i lavinske fotodiode.

Kod pin fotodioda, kao to se vidi sa sl.2, izmeu p i n sloja imamo vrlo slabo dopirani unutranji poluprovodni sloj. Kod ovakvih dioda, region pranjenja se iri preko cele unutranje zone. irina p i n sloja je mala u poreenju sa unutranjim slojem, tako se najvei deo svetlosti apsorbuje upravo u ovom sloju. Ovim se poveava efikasnost i osetljivost fotodiode. Dodatno poveanje efikasnosti se postie tako to se, za p i n sloj, koriste poluprovodniki materijali koji su providni za talasne duine od interesa. Time se postie da apsorbicija u ovim oblastima bude praktino zanemarljiva, dok za unutranji sloj koristimo materijale koji u najveoj meri apsorbuju talasne duine od interesa. Ovo je prikazano i na sl.2 gde imamo fotodiodu za talasne duine u opsezima 1,3 i 1,55m. Za ove talasne duine materijali poput InP su transparentni, odnosno ne apsorbuju ove talasne duine, dok InGaAs u potpunosti apsorbuje svetlost u ovim opsezima.

Sl.2 - Pin fotodioda za opsege od 1,3 i 1,55m

Odziv foto-detektora na pobudu je ogranien time to jedan foton, koji je apsorbovan, moe pobuditi samo jedan elektron. Ipak, ako je generisani elektron izloen veoma jakom elektrinom polju, moe se ostvariti dodatna energija da izbaci jo elektrona iz valentne u provodnu zonu. Ovi sekundarni parovi elektron-upljina mogu generisati jo parova elektron-upljina kada su ubrzani do dovoljnog nivoa. Ovaj efekat se naziva lavinsko umnoavanje, odnosno lavinski efekat. Fotodiode zasnovane na ovom principu nazivaju se lavinske fotodiode APD-avalanche photodiode. Karakteriu se multiplikativnim pojaanjem Gm.

U optikim komunikacijama koristimo dve vrste pojaavaa, to su visokoimpedansni i

transimpedansni. Transimpedansni pojaavai se vie koriste. Pri velikom dinamikom opsegu na ulazu imaju bolje dinamike osobine zato to promena izlazne struje, za istu promenu na ulazu, zavisi od izlazne otpornosti i manja je A puta nego kod visokoimpedansnih, gde je A pojaanje izlaznog stepena ovog pojaavaa. Kad imamo problem propusnog opsega i termalnog uma, propusni opseg kod transimpedansnih pojaavaa je vei za A+1 puta pri istoj ulaznoj otpornosti. Ipak, transimpedansni pojaavai imaju vei termalni um, pri emu je odnos prilino nezavisan od ulazne otpornosti, ali nije veliki i najee je manji od 2. Pri ovome oba ova pojaavaa i filtriraju dolazni signal.


Petar Matavulj 262

S obzirom na tehniku prenosa razlikujemo koherentne i nekoherentne sisteme. Koherentnu svetlost proizvode laseri, dok nekoherentnu, koja je najei oblik svetlosti, proizvodi LED dioda. Tako da razlikujemo dve vrste demodulacije, koherentnu i nekoherentnu, iji je osnovni predstavnik direktna detekcija.

Direktna detekcija je prilino jednostavan proces. Prijemnik odluuje, na osnovu prisustva ili odsustva svetlosti u toku bitskog intervala, da li je poslata 0 ili 1. Ako postoji svetlost detektuje 1, ako ne postoji detektuje 0. Meutim poto foto-detektor konvertuje foto-struju u elektrinu struju imamo problem jer uz konvertovanu struju kao posledicu fotonske apsorbcije, imamo vie struja uma koje se javljaju pri ovom postupku.Tri osnovne vrste struej uma su: termalni um, um same i um usled spontane emisije u poluprovodniku. Iz ovih razloga se javljaju greke pri detekciji signala direktnom detekcijom.

Poto je postupak direktne detekcije ogranien veliinom uma, u najveoj meri termalnog, za poveanje osetljivosti moemo upotrebiti optike pred-pojaavae ili koherentnu detekciju. Postupak koherentne detekcije ima za cilj da pojaa signal, tako to ga mea sa drugim signalom, iz lokalnog izvora svetlosti, to je prikazano na sl.3. U isto vreme, dominantni um u prijemniku postaje um same lokalnog oscilatora, dozvoljavajui prijemniku da postigne maksimalnu osetljivost.

Sl.3 Jednostavni koherentni detektor

Kolo za regeneraciju takta obezbeuje informaciju o trajanju signala. Moramo da sinhronizujemo proces odluivanja i zato je ovo kolo vano. Kolo za odluivanje poredi izlaz linearnog kanala i treshhold-a, odnosno odreenog praga, vrednosti iznad koje procenjuje da signal na izlazu iz pojaavaa predstavlja 1. Najbolji momenat za odluivanje je kada je razlika izmeu 0 i 1 najvea.

Na ulazu bi trebali da imamo signal na jednoj talasnoj duini, to je izlazna talasna duina iz predajnika. Ali svaki izvor emituje svetlost u opsegu talasnih duina, pri emu je taj opseg manji, relativno u odnosu na emitovanu talasnu duinu, kod lasera, nego kod led diode. Odnosno laser ima usmerenije zraenje. Disperzija predstavlja pojavu da se kroz vlakno neke talasne duine prostoru veom brzinom, neke manjom brzinom. Signal se prostire du optikog vlakna koje ima osobinu disperzije i spektar signala se zbog toga iri. Dakle, signal koji dolazi do prijemnika ima veu spektralnu irinu u odnosu na signal koji dolazi iz predajnika, to je prikazano na sl.4. Pojave koje prate ovo proirenje spektra signala, odnosno razvlaenje, su intersimbolska interferencija i dodatni um. Oko na dijagramu oka se suava i smanjuje se vremenski interval u kome je najbolje vriti odluivanje. Imamo probleme kod odluivanja izmeu 0 i 1 i kod prepoznavanja bitskog intervala, odnosno sinhronizacije.


Petar Matavulj 263

Sl.4 Spektralne irine signala na ulazu i izlazu iz optikog vlakna

1.3. DIZAJN I PERFORMANSE

OPTOELEKTRONSKIH SISTEMA Optoelektronski sistemi slue za komunikaciju izmeu ureaja, koji tu komunikaciju trae. Ove ureaje nazivamo stanicama, i to mogu biti kompjuteri, telefoni, terminali ili druga komunikaciona oprema. Ove stanice se u strunoj terminologiji nazivaju oprema za krajnje podatke, DTE, data terminal equipment. Da bi spojili ove ureaje koristimo transmisione puteve koji na kraju formiraju mreu. vorovi su mesta gde se spaja vie transmisionih puteva i ureaja. Takoe, ureaji mogu biti povezani direktno na transmisioni put. Topologija je nain na koji su vorovi povezani u cilju prenosa podataka. Transfer informacija kroz mreu, od izvora do cilja, preko usputnih vorova nazivamo distribucija, dok pod rutiranjem podrazumevamo odabiranje odgovarajueg puta kroz mreu. Dakle, distribuciona komunikaciona mrea je ona u kojoj se podaci prenose od izvora do cilja tako to se odreeni put rutira i onda u svakom voru na putu podaci distribuiraju prema tom utvrenom putu. Ako imamo mree koje koriste razliite protokole, za interkonekciju izmeu njih koristimo elemente koje nazivamo ruteri.

Mree moemo podeliti prema veliini prostora koji obuhvataju, naravno u geografskom smislu. Najmanju oblast obuhvataju privatne mree, to su mree kod kojih je obino infrastruktura u vlasnitvu pojedinca ija je mrea. Takve mree nazivamo i kune mree, naravno ako se nalaze u okviru jedne kue. Mree unutar zgrada zovemo Lan-local area network, dok se mree koje obuhvataju povrinu grada nazivaju Man-metropolitan area network. Mree koje povezuju vrlo veliki prostor nazivamo Wan-wide area network, dok sve ove mree spadaju u servis koji nazivamo javna mrea, odnosno public network.

Drugu podelu vrimo prema nameni. Postoji vie namena optikih mrea, pa prema njima i vrimo podelu. Optiki komunikacioni sistemi dele se, prema arhitekturi, u tri iroke kategorije:


Petar Matavulj 264

- PP veze (point-to-point links) - Emisione i distributivne mree signal se alje iz jednog centra - LAN (Local area networks)

1.3.1.DIZAJN OPTOELEKTRONSKIH SISTEMA

1.3.1.1.POINT-TO-POINT LINKOVI

Ovi sistemi su najprostiji optoelektronski sistemi. Namena im je prenos informacija, u formi digitalnog niza bitova, od predajnika do prijemnika du optikog vlakna sa to veom tanou. Zbog toga propusni opseg i gubici ovde nisu najznaajnija prednost optoelektronskog sistema. Njihova glavna prednost je imunost na elektromagnetske smetnje, jer bakarni linkovi nisu otporni na elektromagnetske smetnje. Tako da je imunost prevashodni zahtev za ove linkove, da bi mogli da ostvarimo maksimalni propusni opseg uz minimalne gubitke u vlaknu. U zavisnosti od potrebe duina veze moe biti manja od kilometra, a moe iznositi i nekoliko hiljada kilometara, pa je izvrena podela na:

- short-houl - long-houl Short-houl predstavlja veze ija duina ne prelazi 1 kilometar. Kod ovakvih veza izmeu

dve take, predajnika i prijemnika, koje oni povezuju nije potrebno stavljati pojaavae ili regeneratore. Ovakve veze su osnova Lan i svih pristupnih mrea, local exchange networks.

Long-houl su veze ija duina prelazi 20 kilometara. Ovakve veze se koriste kod

globalnih mrea, Inter-exchange networks koje predstavljaju MAN, metropolitan area networks i WAN, wide area networks. Pri propagaciji optikog signala kroz optiko vlakno javlja se slabljenje. Zbog velikih rastojanja koja premoujemo ovim optikim kablovima, slabljenje dostie velike vrednosti. Da ne bi signal postao neupotrebljiv, za postizanje veih kapaciteta i rastojanja, moramo koristiti optike pojaavae ili regeneratore. Ove komponente stavljamo posle odreenog rastojanja, ne bi li oporavili signal. Postavljanje i jedne i druge vrste sistema za oporavljanje signala ima svoje prednosti, pa emo to sad razmotriti.

Regenerator praktino predstavlja komponentu sastavljenu kao receiver-transmitter. Koristi se iskljuivo u digitalnim sistemima. Njegova konstrukcija zavisi od protoka i naina na koji je signal modulisan, jer on treba da izvri prijem, demodulaciju, regeneraciju, ponovnu modulaciju i predaju signala. Namena prijemnika je da primi signal i konvertuje ga u elektrine impulse. Nakon konverzije elektrini impulsi se dovode u kolo za odluivanje prijemnika. Kolo za odluivanje donosi odluku, u zavisnosti od primljenog impulsa, koja je binarna vrednost primljenog signala. Na izlazu iz kola za odluivanje dobijamo signal koji je u neizoblienom obliku. Problem je to kolo za odluivanje moe da napravi greku u odluci i onda se javlja propagacija greke. Prvi regenerator se postavlja nakon odreenog rastojanja, pa onda na ekvidistantnim rastojanjima ostali regeneratori, naravno u zavisnosti od potrebe i duine vlakna.

Sl.1 Optoelektronski sistem sa regeneratorima


Petar Matavulj 265

Optiki pojaavai pruaju ne konvertuju signal u elektrini, ve ga pojaavaju u optikom domenu i imaju nekoliko prednosti u odnosu na regeneratore. Za razliku od regeneratora oni su neosetljivi na vrednost protoka i oblik signala koji se prostire du vlakna. Stoga vlakna sa optikim pojaavaima mogu biti nadograena, npr. poveanjem protoka, bez zamene optikih pojaavaa. Takoe, optiki pojaavai imaju vei opseg stabilne vrednosti pojaanja, pa jedan pojaava moe da se koristi za pojavanje vie razliitih talasnih duina. Ova osobina je prilino bitna kod WDM mrea. Zbog ovih osobina oni su zauzeli dominantno mesto u razvoju visoko-kvalitetnih optikih mrea. Naravno i pojaavai u optikom domenu imaju svojih mana. Pojaavai ne otklanjaju um i disperziju, irenje impulsa, koji nastaju usled nelinearnosti vlakna. Dodatno se ovi efekti akumuliraju iz stepena u stepen, jer nema potune regeneracije signala, pa se um pojaava zajedno sa signalom. Zbog toga se, pri konstrukciji vlakna, primenjuju tehnike koje kompenzuju disperziju, odnosno pomeraju nulu disperzije na talasne duine koje mi koristimo u prenosu. Osnovni tipovi optikih pojaavaa koji se koriste su:

- EDFA, erbium-doped fiber amplifiers - PDFA, praseodymium-doped fiber amplifiers - SOA, semiconductor optical amplifiers

Sl.2 Optoelektronski sistem sa optikim pojaavaima

Glavni parametar u dizajnu point-to-point veze je L, rastojanje izmeu optikih

pojaavaa ili regeneratora. Kada rastojanje izmeu pojaavaa raste, opada cena sistema jer ugraujemo manje pojaavaa, naravno raunato po jedininom rastojanju. Da bi smo poveali B, odnosno protok, pri istom rastojanju, disperziju optikog vlakna moramo smanjiti. Pri istoj disperziji, npr. isti materijal od koga je napravljeno vlakno, smanjuje se rastojanje izmeu pojaavaa potrebno za ispravan rad sistema, ako poveavamo protok. Mera kvaliteta sistema je, stoga, proizvod BL koji treba da bude maksimalno mogu, tome mi teimo. Ova vrednost se poveava kod novijih tehnologija, a njene maksimalne vrednosti kod pojedinih tehnologija su BL=BL (), kod prve generacije sa 0,85 m talasnim duinama je 1 Gb/s*km, kod tree sa 1,55 m talasnom duinom iznosi 1 Tb/s*km, a ako koristimo fibere sa pomerenom disperzijom i EDFA pojaavae maksimum iznosi 100 Tb/s*km.

Performanse point to point linka: Potrebno je odrediti-pronai maksimalno B*L za Pplink za koji su zadati svi elementi (komponente). Koriste se dva kriterijuma:


Petar Matavulj 266

1) kriterijum snage 2) kriterijum propusnog opsega 1) Poznata sva slabljenja du linka,osetljivost prijemnika i nominalna snaga predajnika -Moe se nai maksimalna duina linka! PT-(L+QSPR+Qkon+r)PRmin PT-snaga transmitera L-slabljenje du vlakna QSPR-gubici usled sprege prijemnika i predajnika sa vlaknom Qkon-gubici konektora PRmin-minimalna detektabilna snaga prijemnika r-rezerva snage (zatita) koja obezbeuje da kad komponente ostare ili se pojavi nepredvieno dodatno slabljenje (npr. Pucanje pa spajanje vlakana) veza i dalje funkcionie. L1/(PT- PRmin- QSPR- Qkon-r)=Lmax 2) Kriterijum propusnog opsega -Sa porastom duine linka raste ISI (intersimbolska interferencija) zbog uticaja disperzije vlakna pa za definisano B i BER link ne sme biti predug -L iz 1) se moe usvojiti kao Lmax samo ako je zadovoljen i uslov iz 2).Sa porastom L dolazi do zatvaranja diagrama oka.

v-spektralna irina impulsa uslovljena disperzijom vlakna.Ona se sastoji od MTi GVD=M+T MT-uslovljena meutalasnom intermodalnom disperzijom GVD-uslovljena disperzijom grupne disperzijom grupne brzine tj. materijalnom i talasovodnom disperzijom. 0-efektivna irina trajanja impulsa -Najvei uticaj ima meutalasna disperzija,pa materijalna! I sam izvor ima neku svoju spektralnu irinu:


Petar Matavulj 267

-U koliko je s veliko,signal e se vie iriti,tj uticaj disperzije vlakna e biti vei! 2B=2/T -nije isto jer digitalni signal nije prost harmonijski sinusni signal B se nae iz: H(2B)=H(0)/2,tj. -3dB=2B Efektivna vremenska irina e biti: T2= 02+V2=02+MT2(z)+GVD2(z)=T2(z) T2= 02+(0.187*L/B(j))2+(smL)2 B(j)=1km/, -kanjenje najsporijeg u odnosu na najbi zrak [MT2=(0.187/B(j))2-po jedinici duine],u multimodnom vlaknu jedinine duine 1km. Uslov da dijagram oka bude zatvoren je: T/T>0.3, tj. maksimalna duina linka po ovom kriterijumu se dobija iz jednaine T(L)=/T T(Lmax)/T=0.3 konano, Lmax=min[Lmax(1),Lmax(2)] *Izvodi se iz prenosne funkcije multimodnog vlakna: Hv()=Hv(0)exp(-2MT2/2)

Hv(2B(j))=Hv(0)2MT2/2=ln2 (2B(j))2 MT2=2 ln2


Petar Matavulj 268

MT=(2ln2)1/2 : 2B(j)=0.187/B(j)

1.3.1.2.EMISIONE I DISTRIBUTIVNE MREE

Generalno uloga mrea, za razliku od pojedinanih linkova, je da povee vie vorova i ostvari potrebnu komunikaciju izmeu njih. Ako govorimo o konektivnosti izmeu pojedinih vorova, imamo dve vrste mrea, broadcast - odnosno one gde mrea alje svaki signal do svih vorova u mrei, pa onda vorovi odabiraju da li je taj signal njima namenjen. U ovakvim mreama nema nikakvog rutiranja. Ovakve su uglavnom mree na malim prostranstvima. Postoje i mree u kojma postoji rutiranje, WRN i one se implementiraju na veim prostranstvima i bie objanjene kasnije. Predstavnici mrea bez rutiranja su emisione i distribucione mree i naravno Lan mree, koje se koriste uglavnom kod kompjuterske komunikacije. Emisione i distribucione mree slue za distribuciju telefonskih servisa, viestrukih video kanala preko kablovske televizije CATV common-antenna T, takoe se preko ovakvih mrea vri integracija audio i video servisa preko irokopojasnog ISDN Integrated Service Digital Network, dalje prenos telefonskog faksimila, kompjuterskih podataka i video prenosi na mala rastojanja (manje od 50 kilometara), ali sa velikim brzinama prenosa, veim od 10Gb/s, kao i Super-broad band ISDN. TOPOLOGIJE

HUB Raspodela kanala se odvija na centralnoj lokaciji (hub-osovina), gde se automatski vri komutacija kanala u elektrinom domenu. Optika komunikacija izmeu vorova je ista kao i kod point-to-point linkova. Koristi se za distribuciju audio kanala u gradu putem telefonske mree, stoga je najvea primena kod telefonskih kompanija. Ova struktura spada u zvezdaste, star, po svojoj konfiguraciji, i prikazana je na sl.3.

Sl.3 - Topologija Hub mree

BUS Svako pojedinano vlakno prenosi multipleksni viekanalni optiki signal kroz oblast koju opsluuje. Distribucija se vri preko optikih slavina koje predaju manji deo optike snage potroau, odnosno pretplatniku. Primena ovih mrea je kod kablovske televizije u gradu, time se omoguava preko 100 kanala zbog veeg propusnog opsega ovih optikih vlakana u odnosu na bakarne kablove, HDTV televizija visoke rezolucije bez kompresije zahteva 100Mb/s za svaki video kanal i to nije bilo mogue distribuirati bez optike do pojave kompresione tehnike MPEG-2. Problem sa bus topologijom je eksponencijalno opadanje snage sa brojem pretlatnika.

Snaga za N-tog pretplatnika: ( )( )[ ] 111 = NTN CCPP


Petar Matavulj 269

Gde su: C - odliv snage za jednog pretplatnika i - gubitak snage na jednom izlazu (ravanju). Reenje je da se uvedu optiki pojaavai posle odreenih duina i sluaju kad je disperzija zanemariva. Ova topologija je prikazana na sl.4.

Sl.4 - Topologija Bus mree

1.3.1.3.LAN LOCAL AREA NETWORKS Mrea u kojoj je veliki broj korisnika povezan na takav nain da svaki korisnik moe da pristupi mrei proizvoljno i da poalje podatke drugom korisniku u nekoj lokalnoj oblasti, npr. Univerzitetski kompleks, naziva se Lan. Rastojanja su obino manja od desetak kilometara, pa slabljenje nije veliko, stoga ga ne razmatramo koliko propusni opseg, koji je bitan zbog potrebe za protokom velike koliine podataka u ovakvim mreama (10Mb/s ethernet, 100Mb/s ethernet, Gigabit Lan). Glavna razlika izmeu Lan mrea i emisionih i distribucionih mrea je sluajan pristup koji je kod Lan mrea dozvoljen, za razliku od emisionih mrea kod kojih nije dozvoljen. A obe vrste pripadaju mreama u kojima nema nikakvog rutiranja. TOPOLOGIJE

Postoje tri vrste topologija, to su bus, ring i star. Bus, kod ove topologije vorovi razmenjuju informacije preko optikih kaplera, kao to je prikazano na sl.5. Podatke alje preko jednog kaplera, a prima preko drugog. Kapleri imaju vie portova, ali na sl.4 su prikazani samo sa jednim portom, onim na koji je povezan vor. Primer je Ethernet, koristi se za povezivanje raunara sa internetom. Ethernet ima tri generacije, to su prva 10Mb/s, druga 100Mb/s koristi se protokol csma - carrier sense multiple access with colision detection (sa detekcijom kolizije u mrei), trea je gigabit ethernet. Postoje problemi kada se ovaj sistem koristi, jer su potroai na kraju optikog kabla, odnosno periferiji, suoeni sa manjim kvalitetom signala.

Sl.5 Topologija Lan bus mree


Petar Matavulj 270

Ring topologija, svi vorovi su povezani point-to-point linkom, tako da je formiran prsten. Praktino su svi vorovi povezani dvostruko, odnosno u oba smera gledajui po prstenu. Ovo znai da izmeu svaka dva vora imamo dva nezavisna puta, to poveava pouzdanost ovih mrea. MOgu , a i ne moraju ukljuivati pojedine zatitne tehnike. Svaki vor je opremljen sa parom predajnik-prijemnik. Takoe, saobraaj moe da se odvija samo u glavnom smeru, i to su unidirectional rings prstenovi, kod kojih drugi pravac slui za zatitu u sluaju greke. Druga vrsta su bidirectional rings, kod kojih se distribucija vri u oba smera. FDDI - fiber distributed data interface je jedan od vaeih standarda. Kod njega imamo unapred definisanu sekvenca bita koja slui da se adresira vor, naziva se token. Svaki od vorova prati da li se u prstenu pojavio odgovarajui token. Kada se pojavi token, adresirani vor prati i prikuplja pristiue podatke sa mree. itava procedura se ostvaruje optikim interfejsom, a definisani protoci su 100Mb/s sa multimodnim fiberom i Led diodom na 1,3m.

Sl.6 - Topologija ring mrea

Star topologija, kod nje su svi vorovi su povezani sa centralnim star optikim kaplerom.

Postoje aktivne i pasivne star konfiguracije. Kod aktivne star topologije signal se konvertuje u elektrini, a zatim se elektrini signal alje na individualni predajnik i distribuira u neki odreeni vor. Kod pasivne star konfiguracije distribucija signala izmeu vorova ostvaruje se u optikom domenu, primenom direkcionih optikih kaplera, za NxN star kapler pasivna snaga koja dolazi do vora je

, jer se od jednog vora deli na N-vorova, kada se jo uraunaju gubici direkcionih

kaplera dobijamo, N500, to je vie vorova nego kod bus topologije iste kompleksnosti. Ovo znai da je star topologija manje osetljiva na slabljenje pri komunikaciji izmeu dva vora, a to je posledica manje asimetrije same mree u odnosu na bus topologiju.

NPP TN /=

( ) NPP NTN /1 2log=


Petar Matavulj 271

( ) ( ) 10/0 100/ xPxPA ==

Sl.7 - Topologija star mrea 1.3.2.PERFORMANSE OPTOELEKTRONSKIH SISTEMA Pre nego to preemo na performanse pojedinanih tehnologija, da vidimo kako na snagu signala utie prostiranje du optikog vlakna. Signal koji na izvornom mestu ima snagu P(0), nakon puta koji moemo oznaiti sa x, njegova snaga mora biti manja zbog slabljenja du vlakno

i iznosi P(x). Ovaj odnos oznaava veliinu slabljenja du vlakna, a kao to vidimo prevashodno zavisi od veliine , koja predstavlja slabljenje vlakna u dB/km. 1.3.2.1.PERFORMANSE PASIVNE LINEARNE BUS TOPOLOGIJE Gubitke u optikom kapleru moemo videti na sl.1. Ovo je praktino kaskadni spoj dva direkciona kaplera, u kojem su dva porta ostala, po jedan sa svake strane, neiskoriena. Kapler ima etiri funkcionalna porta, to su dva koja se koriste za konekciju optikih vlakana, po jedan za prijem rasute svetlosti i ubacivanje optikog signala na liniju, posle rasipanja, ime je spreeno da stigne do lokalnog prijemnika. Ako se na svakom portu izgubi deo snage Fc onda je gubitak konekcije Lc, i rauna se kao ( )cc FL = 1log10


Petar Matavulj 272

Sl.1 Gubici kod pasivnog linearnog bus kaplera, koji je kaskadna veza dva direktivna kaplera

Ako usvojimo da deo snage koji se odvoji od magistrale i isporuuje detektorskom portu iznosi Ct, onda gubitak snage sa magistrale iznosi

ttap CL log10= Za simetrini kapler, Ct, je takoe vrednost dela snage koji se dostavlja iz predajnog

porta do magistrale. Treba primeniti da optiki signal dva puta prolazi sabirne take, odnosno celokupni gubitak pri prolasku kroz kapler iznosi ( ) ( )ttthru CCL == 1log201log10 2

Uz gubitke rasipanja i konekcije postoje i unutranji gubici. Ako je deo snage koji se gubi u kapleru Fi, onda su unutranji gubici jednaki ( )ii FL = 1log10

U optem sluaju, na magistralu bus topologije stanice se mogu prikaiti na bilo kom mestu. Ovde zbog jednostavnosti rauna, pretpostavimo da se stanice nalaze na ekvidistantnom rastojanju koje iznosi L. Sada gubitke u optikom vlaknu moemo izraziti kao

LALfiber == 0log10 Sada prelazimo na izraunavanje snage potrebne za prenos signala du linka. Postoje dve

vrste potrebne snage, to su potrebna snaga za prenos do najblieg suseda i potrebna snaga za najduu distancu. Prvo emo dati formule za najblieg suseda, to se odnosi na najkrau razdaljinu izmeu predajnika i prijemnika, u sluaju niza ekvidistantnih stanica npr. na stanice 1 i 2. Ako je predajni signal stanice 1 imao snagu 0P , onda signal na prijemniku stanice 2 iznosi

( ) ( ) 024202,1 11 PFFCAP ict = , jer se optika snaga gubi pri prolazu kroz vlakno, na sabirnim takama u predajniku i prijemniku, na etiri konektora i postoje unutranji gubici u oba kaplera. Svi ovi gubici su navedeni u formuli istim redom. Koristei prethodne izraze, poslednji izraz moemo predstaviti u logaritamskoj formi ( ) ictap LLLLPP 242/log10 2,10 +++= .

Sad prelazimo na najveu razdaljinu, to je razdaljina izmeu stanica 1 i N kod bus topologije sa N ekvidistantnih stanica. Nivo snage na 1 i N-toj stanici se rauna kao

( ) ( )itc FCFF = 11 21 , odnosno ( ) ( )itcN FCFF = 11 2 dok za ostalih N-2 meustanica, deo snage koji prolazi kroz kapler iznosi

( ) ( ) ( )itccoup FCFF = 111 22 , jer od ulaza do izlaza svakog kaplera signal prolazi kroz dva konektora, dve sabirnice i na to dodamo unutranje gubitke tog kaplera. Sad iskombinujemo


Petar Matavulj 273

ove izraze, dodamo gubitke propagacije kroz optika vlakna i dobijemo snagu primljenu na N-toj stanici. Ta snaga, u sluaju da je snaga signala koji emituje stanica 1 0P , iznosi

( ) ( ) ( ) ( ) 022221002110,1 111 PFCCFAPFFFAP NitNtNcNNNcoupNN == , odnosno izraeno u logaritamskom domenu

( ) ( ) ( )

( ) tapthruithrucitapthrucN

LLLLLLLNNLLLNNLLNPP

2222221/log10 ,10

++++=++++=

gde su pobrojani gubici u optikom vlaknu, pri konekciji, pri prolasku kroz kapler, gubici rasipanja u kapleru i sami unutranji gubici kaplera. Iz ovog izraza vidimo da gubici kod bus topologije linearno rastu sa poveanjem broja stanica, to je i prikazano na grafiku 1.

Dinamiki opseg je kod bus topologije vrlo bitan parametar, zbog toga to snaga dostupna na odreenom voru opada sa poveanjem rastojanja izmeu vorova. Najgori sluaj za dinamiki opseg je kad raunamo razliku nivoa izmeu snaga potrebnih za dva prethodna sluaja, odnosno za najblieg suseda i najvee rastojanje. Dakle, imamo

( ) ( ) ( ) ( )[ ]{ }( )( )ithruc

NitcN

LLLLNFCFAPPDR

+++===

22111/1log10/log10 2220,12,1

Ovaj izraz moemo iskoristiti u sluaju da nam treba odnos snaga koje stanica N prima

od N-1 i 1 stanice. 1.3.2.2.PERFORMANSE STAR TOPOLOGIJE Kad je u pitanju star topologija, vrni gubitak snage je definisan kao odnos ulazne i

totalne izlazne snage. Sad, ako imamo samo jednu ulaznu snagu Pin i N izlaznih snaga, vrni gubitak je

= =

N

iioutinexcess PPL

1,/log10

kod idealne zvezde je ukupna snaga podeljena na sve ostale vorove ravnomerno. Tako da imamo samo gubitak snage pri podeli na sve izlazne putanje, odnosno ( ) NNLsplit log10/1log10 == . Da bi nali jednainu balansa snage, koristimo sledee parametre:

- SP je izlazna optika snaga izvora u dBm - RP je minimalna optika snaga u dBm, potrebna prijemniku da ostvari zahtevani nivo

greke po bitu - je poduno slabljenje optikog vlakna - sve stanice su na jednakom rastojanju L od glavnog kaplera - cL je gubitak konekcije u decibelima

Pri ovim pretpostavkama jednaina balansa snage za pojedinani link izmeu dve stanice

u star mrei. ( ) ( ) NLLLLLLLPP cexcesssplitcexcessRS log102222 +++=+++= Ovde je pretpostavljeno da gubici konekcije postoje i kod predajnika i kod prijemnika. U

poreenju sa pasivnom i linearnom bus topologijom, vidimo da ovde gubici rastu sporije sa poveenjem broja N, to se vidi i sa grafika 1.


Petar Matavulj 274

Grafik 1. Gubitak snage kao funkcija broja stanica u mrei

1.4.PODELA OPTOELEKTRONSKIH SISTEMA PREMA GENERACIJI NASTANKA

Prema periodu nastanka optoelektronski sistemi imaju dve generacije. Prvu generaciju

predstavljaju sistemi kod kojih je transmisioni medij optiki, ali se distribucija, procesiranje i rutiranje obavljaju u elektrinom domenu. Ove mree su takoe jednotalasne, odnosno prenose signal samo na jednoj talasnoj duini. Druga generacija predstavlja pokuaj da se pojedini delovi obrade, npr. distribucija i rutiranje, obave u optikom domenu. U okviru ovih generacija razmotriemo osnovne osobine SONET i WDM mrea.

1.4.1.SONET / SDH Mree prve generacije su danas u punoj upotrebi. One su deo telekomunikacione

infrastrukture. Takoe se koriste pri povezivanju raunara u mreu, odnosno pri pravljenju Lan i Wan mrea.

Sonet-synchronous optical network (Ansi T1.105), je trenutni standard za transmisiju i multipleksiranje kod signala vrlo visokih protoka u Severnoj Americi. Sdh - synchronous digital hierarchy (ITU-T), predstavlja standard koji se koristi u Evropi i Japanu za istu svrhu. Pre ovih standarda infrastruktura je bila zasnovana na PDH, plesiochronous digital hierarchy. PDH je zasnovan na potrebi digitalizacije govora, a govor ima opseg od 4kHz. Ovaj signal moemo odabirati sa uestanou od 8kHz i posle kvantizirati sa 8 bita po odbirku. Tako dobijamo ukupni protok od 64kb/s.

Problemi koji se javljaju kod PDH su: pri veem broju signala, npr. DS1 koji nosi 24 signala sa 64kb/s, zbog neidealne sinhronizacije protok raste, pa DS1 ima protok od 1,544 Mb/s, to je vea vrednost od 24*64kb/s. Ovo se radi zbog dodatnih bita za sinhronizaciju, koji ujedno komplikuju konstrukciju multipleksera i demultipleksera za PDH. PDH takoe nema nikakve mogunosti kontrole saobraaja i njegovih performansi, odnosno moguih zaguenja kabla. PDH takoe ne definie ni opti format transmisionog linka, kao ni standardne topologije za izradu mrea, koje omoguavaju brze izvetaje o tome da li je signal uspeno stigao na odredite. Veina ovih problema je razmotrena i standardizovana u SONET i SDH standardima.


Petar Matavulj 275

Na sl.1 je prikazana osnovna struktura sonet okvira. To je dvodimenzionalna struktura koja se sastoji od 90 kolona i 9 redova bajtova. Jedan bajt, naravno, ima 8 bita. U standardnoj sonet terminologiji sekcija spaja susedne delove opreme, linija je link koji spaja dva sonet ureeja, a put je kompletna trasa konekcije. Fundamentalni sonet okvir traje 125 s. Odavde dobiijamo transmisioni protok osnovnog sonet signala:

Sl.1 Osnovni format STS-N sonet okvira STS-1=(90bytes/row)(9rows/frame)(8bits/byte)(125s/frame)=51,84Mb/s. Rows redovi, Frame okvir

1.4.1.1.MULTIPLEKSIRANjE SONET i SDH koriste mnogo sofisticiraniju tehnologiju za multipleksiranje, to je

prikazano na sl.2. Iako su u osnovi slini SONET i SDH koriste razliite termine i ovde e tehnologija multipleksa biti objanjena na primeru SONET-a. Nii strimovi PDH su mapirani u SPE,

Sl.2 Hijejarhijska struktura multipleksa primenjena kod SONET-a i SDH-a

synchronous payload envelope. Set bita iz zaglavlja koji nazivamo zaglavlje puta je pridodan


Petar Matavulj 276

SPE-u. Ovaj set ostaje nepromenjen dok SPE ne stigne na cilj i onda iz njega ekstraktujemo PDH strim. Ovo omoguava monitoring i minimizaciju greaka. Ovaj skup, SPE i zaglavlje puta, se naziva VT, virtual tributary. Mnogo manjih VT-a se pakuje u veliki VT, prema hijerarhijskoj emi sa sl.2.

Sl.3 Mapiranje PDH strimova u SONET-ovom VT, virtual tributary VT, virtual tributary, odnosno VC, virtual container, kod SDH mrea su definisani prema

standardu za prenos razliitih protoka. Na sl.3 je prikazana detaljna ema ovih protoka prema standardu za PDH i ATM, asynchronous transfer mode. Hijerarhijska oragnizacija prikazana na sl.3 nam otkriva da postoje i vii nivoi udruivanja signala pomou interlivinga bita, stvarajui bazne grupe, kao to je STS-1, synchronous transport signal level-1. Ova bazna grupa za SONET podrava protok od 51,84Mb/s, koji je gore izraunat. Postupkom interlivinga bita iz N STS-1 grupa dobijamo grupe STS-N. Takoe vidimo da su 150MB/s ATM signal mapirani u STS-3 grupe. Protok za standardne grupe kod Sonet arhitekture, STS i Sdh arhitekture, STM, synchronous transport module, dati su u tabeli 1.

Tabela 1 Protoci kod Sonet-a, STS-N i Sdh-a, STM-N

1.4.1.2.OPTIKI INTERFEJS Da bi se osigurala konekcija izmeu opreme razliitih proizvoaa, sonet i sdh

specifikacije sadre podatke o karakteristikama optikih izvora, osetljivosti prijemnika i duini transmisionih puteva za pojedine tipove optikih vlakana. Prema standardu postoje tri optika prozora, to su stepenasto-multimodni na 1310nm, konvencionalni monomodni u 1310nm i 1550nm prozorima i disperziono pomereni monomodni u 1550nm prozoru. Zavisno od slabljenja i disperzionih karakteristika za razliite hijerarhijske nivoe, mogui optiki izvori su svetlosno-emisione diode, LED, multimodni i monomodni laseri. Kao cilj sistema se obino postavlja odreena vrednost verovatnoe greke po bitu. Osetljivost prijemnika se bira tako to zadamo minimalnu potrebnu snagu na prijemu za odreeni BER, bit error rate. Postizanje veih rastojanja je mogue upotrebom lasera poveane snage.

TOPOLOGIJE

Razliiti tipovi topologije sonet-a se koriste u konfiguraciji mrea, najei su: prstenovi, linearne konfiguracije i point-to-point linkovi. Kod point-to-point linkova, koji su najdue u upotrebi, krajnje take linkova se zovu TMs, terminal multiplexers. Ovo je prikazano na sl.4, kao i ostali elementi infrastrukture sonet-a. Ako je potrebno izabrati jedan ili vie niih strimova iz strima vieg protoka i to vri ADM, add/drop multiplexer. Najee koriena topologija za izradu mrea je prsten, jer omoguava lako otkrivanje nepravilnosti i prekida u mrei. Ova topologija omoguava i prevazilaenje ovih problema, odnosno prenos signala i dok u mrei postoji prekid. Prstenovi se prave od ADM-ova, koji uz funkciju multipleksiranja i demultipleksiranja signala dodatno ukljuuju zatitne mehanizme za


Petar Matavulj 277

popravku greaka. Najee se sonet oprema konfigurie kao ADM prsten, linearni ADM ili terminalni multiplekser. Dve vrste prsten topologije se najee koriste, to su UPSR, unidirectional path/switched rings i BLSR bidirectional line-switched rings. UPSR se koristi za pristupne delove mree, za konekciju mnogostrukih vorova sa glavnim vorom smetenim u centru, dok se BLSR koriste u unutranjim delovima mree za povezivanje mnogostrukih centara. DCS, digital crossconnect, obavlja menadment saobraaja velikih protoka i on se nalazi u centru. Zbog velikih protoka, manuelni rad je nemogu, pa DCS sve ovo vri automatski, softverskim putem. On takoe nadgleda performanse sistema, a moe da vri i multipleksiranje, kad je potrebno multipleksirati saobraaje velikih intenziteta. Moe biti povezan na ADM da bi izvrio povezivanje prstena izmeu sebe, ili moe biti i sam biti deo prstena.Na sl.4 se moe videti primer sonet topologije, koja ukljuuje sve navedene konfiguracije.

Sl.4 Elementi sonet infrastrukture

SLOJEVI

Razliiti fiziki slojevi se koriste kod SONET/SDH sistema. Od LED i multimodnih Fabry-Perot lasera na 1310nm za kratka rastojanja sa manjim protokom, do 1550nm-skog monomodnog longitudinalnog lasera za velike protoke i velika rastojanja, prema standardima koji su gore navedeni kao mogui optiki interfejsi. Sistemi su klasifikovani u tri kategorije: kratkog dometa (short reach), srednjeg dometa (intermediate reach) i velikog dometa (long reach).

Kao konekcije izmeu raunara razvijeno je vie mrea, najvanije su ESCON, enterprise serial connection, Fiber channel i HIPPI, high-performance parallel interface. ESCON je razvijen od IBM-a kao unapreenje za dotadanje loe i spore ulazno-izlazne jedinice. Fiber channel je unapreenje ovog sistema, dok je standard za paralelni ulazno-izlazni interfejs.

Najznaajniji standardi za Man mree su FDDI, fiber distributed data interface, ATM, asynchronous transfer mode i IP, internet protocol. FDDI je operativan na 100Mb/s preko monomodnog vlakna, pri emu se koristi prsten sa dva vlakna, slian sonetovom BLSR. ATM


Petar Matavulj 278

je mreni standard koji je razvijen tako da povezuje prenos govora i podataka zajedno. IP je najrasprostranjeniji standard i koristi se pro internet komunikaciji.

SONET sloj sadri etiri podsloja. To su putni, linijski, sekcijski i fiziki. Putni sloj slui

za krajnju konekciju izmeu dve take, odgovoran je za monitoring i praenje stanja konekcije. Linijski sloj povezuje vie putnih slojeva na jedan link izmeu dve take. On je takoe odgovoran za prelazak na zatitnu distribuciju u sluaju greaka ili prekida u linku. Sekcioni sloj se odnosi na sekcije izmeu regeneratora, on je prisutan kod svakog regeneratora. Fiziki sloj je odgovaran direktno za transmisiju kroz vlakno. Raspored ovih slojeva i njihova prisutnost u odreenim delovima linka je prikazana na sl.5.

Sl.5 SONET/SDH slojevi

UPSR I BLSR Struktura UPSR, unidirectional path-switched rings, je predstavljena na sl.6. Jedno optiko vlakno je radno, dok je drugo zatitno. Kroz radno vlakno se signal prenosi u smeru kazaljke na satu, dok se u zatitnom vlaknu signal prenosi u smeru suprotnom smeru kazaljke na satu. vor kojem je saobraaj namenjen prihvata podatke iz oba vlakna, jer oba vlakna prenose isti saobraaj. Nakon prijema vor odabira kvalitetniji signal od dva primljena. U normalnim radnim okolnostima to je signal dobijen radnim vlaknom, dok u sluaju pada vor automatski prelazi na preuzimanje podataka sa zatitnog vlakna. Ovaj mehanizam se naziva 1+1 zatita, odnosno imamo vruu rezervu koja sve vreme obavlja funkciju i u sluaju pada glavnog vlakna automatski preuzima njegovu ulogu. Kapacitet zatitnog vlakna treba da bude jednak kapacitetu radnog vlakna. Kod ove arhitekture ne mogu se ponovno koristiti talasne duine, jer saobraaj ide po prstenu u celini. Od vora A do B po linku u smeru kazaljke na satu, odnosno od B do A preko vorova C i D u smeru kazaljke na satu, odnosno u komunikaciji izmeu A i B zauzimo kompletan prsten, a ne samo deo izmeu A i B. Prema tome, maksimalni saobraaj u mrei odreen je kapacitetom vlakna. Ova topologija je vrlo popularna u pristupnim mreama i mreama malog kapaciteta, jer predstavlja jeftino i jednostavno reenje sa neogranienim broje vorova i slinim performansama kao komplikovanija reenja, naravno pri malim protocima.


Petar Matavulj 279

Sl.6 UPSR, komunikacija izmeu vorova A i B

BLSR, bidirectional line-switched rings, dozvoljava poveenje kapaciteta ponovnim korienjem istih talasnih duina, jer komunikacija izmeu dva vora ne zauzima kompletan prsten, ve samo deo izmeu ta dva vora, poto izmeu njih postoji dvosmerna komunikacija. Takoe poseduje dodatne zatitne mehanizme. Postoje varijante sa dva i etiri optika vlakna. Za razliku od UPSR saobraaj se prenosi u oba smera du prstena. Meutim maksimalni broj vorova, kao i maksimalna duina prstena su ogranieni. Maksimalni broj vorova je 16, dok je maksimalna duina 1200km. Varijanta sa etiri vlakna, BLSR/4, podraava dva sistema zatite. Prvi je sprena zatita, odnosno u sluaju da saobraaj izmeu dva vora bude u prekida zbog pada glavnog linka, on se preusmerava na zatitni link izmeu tih vorova u istom smeru. Zbog ovoga se u ovom sluaju glavni i zatitni link izmeu vorova ne provlae istim putanjama, jer je onda manja vrovatnoa da oba, npr. puknu, u isto vreme. Druga varijanta je linijska zatita, odnosno u sluaju da je linija izmeu vorova u jednom smeru u prekidu, saobraaj se proputa u suprotnom smeru du prstena. Kod varijante sa dva vlakna, BLSR/2, mogue je koristiti samo linijsku varijantu zatite. BLSR prua vee kapacitete saobraaja od UPSR, sa istim linkovima, jer dozvoljava ponovno korienje talasnih duina. Iz ovog razloga se koriste kod velikih, long-haul, gde se distribuira vei saobraaj nego u pristupnim mreama. BLSR/2 se vie koriste od BLSR/4, jer su jednostavniji i pored injenice da BLSR/4 mogu otkloniti mnogo vie kvarova u odnosu na BLSR/2. Stoga se BLSR/4 koriste samo tamo gde je izuzetno bitan rad bez pada sistema.

1.4.2. WDM MREE

Ove mree predstavljaju drugu generaciju optikih mrea. Glavna razlika u odnosu na mree prve generacije je u tome to WDM mree doputaju distribuciju i selekciju u optikom domenu. Zbog toga je ova generacija osnova za pravljenje emisionih i distribucionih mrea.

Primer WDM linka je dat na sl.1. Predajnik sadri lasere, jedan za svaku talasnu duinu. Signali razliitih talasnih duina se multipleksiraju na isti link. Optiki pojaava je tu da povea predajnu snagu. Zbog slabljenja signala du linka, posle odreenog rastojanja signal se pojaava linijskim pojaavaem. U zavisnosti od duine linka i protoka, na liniju moemo postaviti i modul za kompenzaciju disperzije kojoj je signal izloen u linku. Na prijemu signal pojaavamo pred-pojaavaem, pre proputanja kroz demultiplekser. Svaka talasna duina u prijemniku ima zaseban foto-detektor.


Petar Matavulj 280

Sl.1 WDM link

Osnovni problem koji se javlja kod mrea ove topologije je kako odabrati signal koji je namenjen datom voru, od svih signala koji stiu do datog vora, jer su emisione i distribucione mree bez obzira na topologiju po tipu broadcast. Svaki vor sadri dva optika vlakna, prijemno i predajno. Pretpostavljamo da svaki vor emituje na odreenoj talasnoj duini, odabranoj od talasnih duina koje se mogu prostirati mreom. Ovo mora jer u sluaju da dva vora emituju na istim talasnim duinama moe doi do kolizije, i oba signala su izgubljena za dalju upotrebu. Takoe, dva signala mogu biti upuena ka jednom voru na razliitim talasnim duinama. U ovom sluaju ako imamo prijemni vor koji jednovremeno moe da primi samo jednu talasnu duinu, jedan signal mora biti izgubljen. U ovom sluaju kaemo da imamo borbu signal, contend. Mehanizam koji omoguava koordinaciju i spreava ove probleme nazivamo MAC, media-access control, i bie objanjen u daljem tekstu.

1.4.2.1. MAC-media access protocol

MAC protokoli zavisi od namene mrea. Postoje mree kod kojih je potreban kompletan kapacitet linka izmeu izvornog vora i krajnjeg vora, dok kod drugih na linku moe biti vie signala za razmenu izmeu dva vora. Takoe, moe se desiti da na linku imamo i vie signala iz razliitih izvora za razliite krajnje vorove. Pretpostavka je da izvren TDM na linku u sluajevima kad imamo vie signala i da se svaki izvor uklapa u svoj vremenski slot. Hardverski potencijal vora, u principu, zavisi od finansijskih mogunosti. vorovi koji mogu da emituju i primaju vie razliitih talasnih duina i da se brzo prebacuju sa jedne na drugu su prilino skupi, tako da jo nisu skroz komercijalni. Dakle, ostaje nam mogunost da imamo vorove koji primaju i emituju samo na po jednoj talasnoj duini. Najjednostavnija varijanta ove vrste mrea je ona gde su svi vorovi na jednoj talasnoj duini i ovde nam nije zanimljiva, primer je FDDI, opisan kod Lan topologije. Postoje i mree kod kojih svaki vor ima mali broj talasnih duina na koje moe da se podesi, u ovakvim mreama se vri rutiranje izmeu vorova i bie objanjene kasnije. Ovde e biti rei o multikanalnim Mac protokolima za Star topologiju. Nivo performansi se meri kanjenjem paketa kroz kompletnu mreu. Naravno, odreena koliina podataka je uvek izgubljena usled kolizije i borbe izmeu paketa. Mi gledamo onu uspeno primljenu koliinu i u odnosu na nju, uz kompromis izmeu cene i kvaliteta odreujemo potreban nivo performansi. Uz ove protokole obavezno ide i kontrolni kanal, kojim se alju podaci o saobraaju u linkovima podataka. Ovaj kanal, ako je to mogue, koristi zasebnu talasnu duinu.


Petar Matavulj 281

SINHRONIZACIJA Ako imamo mreu sa star topologijom, generalno izmeu svaka dva vora u mrei signal putuje razliito vreme, odnosno imamo razliita kanjenja. Zato mi tragamo za maksimalnim propagacionim kanjenjem izmeu dva vora i tu vrednost obeleavamo sa dprop. Od ove vrednosti zavisi i geografska veliina mree. Veina protokola za paketsku distribuciju imaju sinhronizaciju izmeu vremenskih slotova, mada ne svi. Ipak, generalno, mree iste realizibilne kompleksnosti koje imaju sinhronizaciju izmeu vorova su boljih performansi od mrea koje nemaju sinhronizaciju izmeu vorova. Sinhronizacija izmeu vorova za zvezdastu topologiju bie objanjena uz sl.2 i sl.3. Tri vora A, B i C imaju razliita propagaciona kanjenja. Uz njih tu je i sinhronizacioni vor O, postavljen pored kaplera. Ovaj vor emituje sinhronizacioni impuls, u tano odreenim vremenskim intervalima. Pretpostaviemo da se taan broj slotova moe nai u ovim vremenskim intervalima i to nazvati frame. Sinhroimpuls se emituje na tano odreenoj talasnoj duini, po mogustvu kontrolnoj. Ostali vorovi trenutak prijema ovog impulsa uzimaju za poetak frame-a u svojim prijemnicima. Algoritam po kojem vorovi prihvataju sinhronizacioni frame je u potpunosti objanjen na sl.2.

Sl.2 Zvezdasta mrea i algoritam za sinhronizaciju

Primeri protokola koji upotrebljavaju ovu vrstu sinhronizacije su brojni, ovde emo spomenuti Aloha protokol, koji moe biti slotovan ili sluajan. Sluajni Aloha protokol nije sinhronizovan i kod njega se paketi emituju bez ekanja, za razliku od slotovanog Aloha protokola. Kod slotovanog Aloha protokola, paketi se ne alju odmah, ve predajnik eka da ih uklopi u vremensko trajanje slota. Zbog ove osobine slotovani Aloha protokol ima veu efikasnost.


Petar Matavulj 282

Sl.3 Prihvatanje sinhronizacionog slota u zvezdastoj mrei

TOPOLOGIJE

Vii slojevi, poput sonet-a i adm-a mogu koristiti optiki sloj na dva naina, a u svrhu dobijanje veze izmeu dva vora za koje su dobili zahtev za konekciju. Prvi nain je da za svaku konekciju koriste posebni svetlosni put. Svetlosni put se uspostavlja svaki put kad stigne zahtev za uspostavljanje i ukida kad stigne zahtev za raskid veze. Drugi nain je da koriste optiki sloj, tako da jednostavno svaki svetlosni put vide kao fiziki link izmeu vorova koje povezuje.

Da bi smo ovo razmotrili, objasnimo pojmove fizike i virtuelne topologije. Fizika topologija je mrea onakva kakvom je vidi optiki sloj. Virtuelna topologija je mrea koju vidi vii sloj. Prednost optikog sloja u odnosu na fizike linkove koji bi bili postavljeni na mesta svetlosnih puteva je u tome to svetlosne puteve moemo lako promeniti. Menjamo ih jednostavno promenom rutiranja u vorovima, ukoliko nam to zahteva promena saobraaja u mrei.

Kad znamo protoke i raspored saobraaja u mrei pristupamo njenoj konstrukciji. Problem konstrukcije se svodi na praktino na dva problema, a to su konstrukcija fizike mree i konstrukcija virtuelne mree. Kad konstruiemo virtuelno mreu, to emo razmatrati ovde, konstrukcija fizike mree se svodi na postavljanje fizikih linkova izmeu vorova u cilju da sa


Petar Matavulj 283

to manjom ukupnom duinom linkova dobijemo potrebne kapacitete za zadati saobraaj. Postoje tri vrste topologija koje koristimo za konstrukciju virtuelnih mrea. To su singlehop, multihop i shufflenet.

Singlehop topologija mree predstavlja primer WDM mree sa WDM predajnicima i prijemnicima koji mogu brzo da menjaju svoju talasnu duinu. Ovi predajnici i prijemnici su prilino skupi, pa mree zasnovane na ovoj topologiji nisu u potpunoj komercijalnoj upotrebi. Kao dodatak point-to-point linkovima oni mogu da se koriste za broadcast

Sl.4 Topologija singlehop u emisiono-distribucionim mreama distribuciju. Na sl.4 je prikazana singlehop mrea zasnovana na star topologiji. Radne stanice u vorovima 4 i 2 komuniciraju na talasnoj duini 2, dok korisnik u voru 1 alje broadcast informacije radnim stanicama u vorovima 3 i 5 na talasnoj duini 1. Isti koncept je mogu i u sluaju bus topologije. Razliiti vorovi u mrei mogu komunicirati koristei razliite protokole, pri tome ne ometajui jedni druge. Iako je topologija ovih mrea prilino jednostavna, potrebno je sinhronizacija izmeu vorova, da bi prijemni vorovi znali na kojoj talasnoj duini je predajni emitovao informaciju namenjenu njima. Naravno prijemni vor mora u pravom trenutku podesiti svoj filtar na ovu talasnu duinu, to je prilino komplikovano. Takoe, moe se javiti problem kod prijema dve informacije. One mogu biti poslate istovremeno jednom prijemniku na razliitim talasni duinama i tada nastaje kolizija.

Sl.5 Regularna virtuelna topologija


Petar Matavulj 284

Multihop predstavlja virtuelnu topologiju baziranu na WDM emisionoj i selektivnoj mrei. U odnosu na singlehop, prednost je u tome to nam nisu potrebni brzi tunabilni laseri ili prijemni optiki filtri. Razmotrimo primer na WDM emisionoj i distributivnoj mrei star topologije. Pretpostavimo da mrea ima N,etiri vora i u svakom od njih ,dva predajnika razliitih talasnih duina i dva prijemnika razliitih talasnih duina, kao na sl.5. U tom sluaju na ovu mreu moemo primeniti virtuelnu topologiju kao na sl.6. Vidimo da nam je potrebno N talasnih duina da bi implementirali ovu virtuelnu topologiju, a taj rezultat vai i u optem sluaju. Naravno, broj talasnih duina moe biti smanjen uvoenjem vremenskih slotova. Primetimo da prebacivanjem jednog ili vie predajnika ili prijemnika na drugu talasnu duinu dobijamo potpuno novu virtuelnu topologiju. Ako smo sigurni da nam ovo nije potrebno, moemo koristiti predajnike i prijemnike koji nemaju mogunost prebacivanja na drugu talasnu duinu. Oni emituju uvek na istoj talasnoj duini, ali su jeftiniji i njihovom upotrebom smanjujemo ukupnu cenu mree.

Sl.6 Implementacija virtuelne topologije na WDM mree emisionog i distributivnog tipa

Na sl.7 je prikazan format poruke koji je prikladan za upotrebu u ovom sluaju. Poruka predstavlja paket sa poljem za podatke i adresnim zaglavljem. Adresno zaglavlje sadri

identifikaciju izvora i destinacije,


Petar Matavulj 285

Sl.7 Prikaz sadrine polja koje sadri paket podataka zajedno sa ostalim kontrolnim bitima. U svakom meuvoru signal se prevodi u elektrini oblik, dekoduje da bi se odredile informacije o rutiranju i alje u eljenom pravcu. Korienjem ovog postupka vrimo rutiranje u elektrinom domenu, pomou specijalnih optikih pojaavaa.

Shufflenet je virtuelna topologija za WRN. Ima normalizovano proseno kanjenje blisko teorijsko minimumu, to ukazuje da je ova topologija vrlo dobra. Stoga nije udno, to je mnogo razmatrana u literaturi i ima mnogo topologija zasnovanih na njoj. Karakteriu ih dva parametara k i , gde je k broj nivoa u mrei. Primer topologije je prikazan na sl.8 za vrednosti parametara k=2, =2. U ovom sluaju mrea ima k kolona, kk vorova i k vorova u svakoj koloni.

Sl.8 Shufflenet topologija 1.4.3.WRN MREE

Problemi koji se javljaju kod emisionih i distribucionih mrea, kad one rastu, je u tome to zahtevaju sve vei broj talasnih duina. On je uvek vei od broja vorova to ume biti veliki broj. Pored toga tu je i kanjenje koje se unosi prebacivanjem signala u elektrini domen radi obrade.

Wavelength Routing Network prevazilaze ove probleme tako to koriste ponovno korienje talasnih duina, konverziju talasnih duina i distribuciju u optikom domenu. Rutiranje i distribucija u optikom domenu vre se na osnovu talasne duine. Prednost je u utedi na viim slojevima, ukoliko dozvolimo proputanje saobraaja kroz vor bez obrade ako ona nije potrebna. Da li je potrebna obrada signala znamo po talasnoj duini signala koji u vor dolazi. Na ovaj nain stvaramo svetlosne puteve signala, koje nazivamo virtuelna topologija mree. Generalno, rutirajua mrea moe, po svojoj topologiji biti beskonana mrea. Svaki link je povezan sa vorovima za unakrsnu konekciju izmeu razliitih talasnih duina WXC, wavelength crossconnect. Mrea obezbeuje svetlosne puteve, lightpaths, izmeu vorova mree. Ovo je prikazano na sl.1. Svetlosni putevi su praktino slavine vrlo irokog opsega, te dozvoljavaju vrlo velike vrednosti protoka. Na ovakve mree moemo gledati kao na optiki sloj, ako se orjentiemo prema hijerarhijskoj strukturi slojeva kao u standardu Sonet-a. Ovaj optiki sloj praktino obezbeuje svetlosne puteve viim slojevima, koje predstavljaju sonet i adm na primer.


Petar Matavulj 286

Sl.1 Rutiranje talasnih duina u mrei, pravljenje svetlosnih puteva

Nekoliko osobina ovih mrea su prilino bitne. Transparencija, odnosno mogunost da kroz isti svetlosni put idu signali razliitih protoka i protokola. Dalje, ponovno korienje talasnih duina, prikazano na sl.1, gde se ista talasna duina koristi u dva nezavisna puta. Ovo je bitno jer imamo ogranien broj talasnih duina u mrei. Sledee, pouzdanost mrea je poveana jer signali mogu automatski da budu prebaeni na drugi svetlosni put, u sluaju greke ili pada nekog dela sistema. Takoe, na poveanje pouzdanosti utie i to to su optike komponente uglavnom pasivne. Pa, virtuelna topologija koja predstavlja graf na kome su vorovi mree. Ti vorovi su spojeni ako postoji svetlosni put izmeu vorova mree. Ovaj graf predstavlja optiki sloj za vie slojeve. Svetlosni putevi koji predstavljaju optiki sloj mogu biti ukinuti i postavljeni na zahtev.

Glavni element mree je WXC, wavelength crossconnect. Funkcionalna blok dijagram WXC-a je prikazan na sl.2. Svaki vor ima trunk port koji slui za povezivanje sa ostalim vorovima. Svaki trunk port je povezan za jedan par optikih linkova. Svi portovi treba da budu bidirekcionalni. WXC ima i lokalne portove, oni mogu biti optiki i elektrini. Dodatno, tu je i network element manager koji slui za kontrolu i menadment u voru. Kljuni elementi u realizaciji ovih vorova su pasivni multiplekseri i demultiplekseri po talasnim duinama, distributori i konvertori talasnih duina.

Sl.2 Blok dijagram WDM crossconnect vora

Zavisno od funkcija koje vor moe da izvri, WRN mree se dele na statine i rekonfigurabilne. WXC vor koji je statian, moe biti napravljen od prostornih komutatora bez osobine konverzije talasnih duina. Ovi prostorni komutatori mogu biti napravljeni kao npr. kaskadni, elektronski kontrolisani, optiki direkcioni kapleri. Kod ovakve konstrukcije, svako ulazno optiko vlakno nosi odreeni broj signala razliitih talasnih duina. Na ulazu ovaj signal


Petar Matavulj 287

se pojaa i pomou razdelnika podeli na vie signala manje snage. Ovi signali se vode na podeavajue filtre. Svaki filtar odabira pojedinu talasnu duinu i proputa je do prostorno-komutacione matrice. Ova matrica signale na odreenim talasnim duinama prebacuje na odgovarajue izlaze ka izlaznim optikim vlaknima, odnosno proputa ih do lokalnih portova ukoliko je prijemnik za odreeni signal povezan na dati vor. Takoe, sa lokalnih portova stiu signali generisani od lokalnih korisnika. Njih elektronskim putem, preko digitalne kros-konekcione matrice, prikljuujemo signalu na optikom predajniku. Iza optikog predajnika oni

Sl.3 Primer kros-konekcione topologije sa optikim komutatorima i konverzijom

talasnih duina

stiu do prostorno-komutacione matrice, i dalje ka izlaznim optikim vlaknima. Izlazne linije matrice se vode na multipleksere, a multipleksirani signali se putaju kroz optika vlakna ka drugim vorovima. Problem moe nastati ako se desi situacija kao na sl.3. Kanali iste talasne duine stiu na razliitim ulaznim vlaknima, a trebaju biti komutirani na isto izlazno optiko vlakno. Ovo moe biti razreeno dodeljivanjem fiksne talasne duine svakom optikom putu u mrei ili odbacivanjem jednog od kanala i njegovom retransmisijom na drugoj talasnoj duini. U prvom sluaju redukujemo sposobnosti ponovnog korienja talasnih duina i skalabilnosti, dok u drugom gubimo na sposobnosti fleksibilnog dodavanja i oduzimanja signala. Sve se ovo moe eliminisati ukoliko koristimo vorove koji vre konverziju talasnih duina u voru.

Konverzija talasnih duina se najvie koristi kod beskonanih mrea, odnosno mrea sa velikim brojem vorova. U takvim sluajevima ova tehnika daje i najbolje rezultate. Prednosti se mogu objasniti na jednostavnom primeru. U mrei pretpostavmo da pri dobijanju zahteva za uspostavljanje veze na datom vlaknu, koristimo talasnu duinu statistiki nezavisno od drugih talasnih duina i drugih optikih vlakana koje se u tom momentu koriste. Kao krajnji rezultat treba videti verovatnou blokade u sluaju kad ima i kad nema mogunosti konverzije talasnih duina.

Pretpostavka je da u mrei ima H linkova izmeu vorova koje treba spojiti, npr. vorova A i B. Broj moguih talasnih duina po linku je F, dok je verovatnoa da je odreena talasna duina iskoriena na bilo kom linku je . Kad imamo mreu sa konverzijom talasnih duina za verovatnou blokade zahteva za konekcijom izmeu vorova A i B, dobijamo

( )HFbP = 11' Za datu verovatnou blokade u mreama sa konverzijom talasnih duina, dobijamo

postignutu korisnost kao


Petar Matavulj 288

( )[ ] ( ) FbFHb HPPq /1'/1/1' /11 = , to je prikazano na grafiku 1.

Grafik 1. Korist od primene talasnih duina, kao funkcija broja talasnih duina u mrei, ako je verovatnoa blokade 0.001 i koristi se konverzija talasnih duina

Kad je u pitanju mrea bez konverzije talasnih duina. Verovatnoa blokade u ovom

sluaju iznosi ( )[ ]FHbP = 11' Odnosno ako sa p oznaimo postignutu iskorienost, dobijamo ( ) ( )FbHFb PHPp /1/1/1 1ln/111 = , to je prikazano na grafiku 2. Grafik 2. Korist od primene talasnih duina, kao funkcija broja talasnih duina, u mrei

koja ne koristi konverziju talasnih duina, sa verovatnoom blokade 0.001


Petar Matavulj 289

Da bi videli koliki je dobitak, ako koristimo konverziju talasnih duina, definiimo odnos q/p. Ovaj odnos se zove pojaanje G, a oznaava poveanje iskorienosti optikog vlakna ili talasnih duina.

( )[ ] ( )[ ] ( )FbF

bFHFb

FHb P

PHPPpqG /1/1

/11/1/1/1/1

1ln11/11/ =

Grafik 1. Poveanje primenjivosti G mree kao funkcija broja talasnih duina za veliinu blokade 0,001 kod konverzije talasnih duina

1.5. PERFORMANSE WDM MREA SA EDFA POJAAVAIMA Optike komunikacije su namenjene povezivanju velikih udaljenosti, pored toga to se sve vie koriste i za pristupne mree. Glavni izazovi u dizajnu globalnih mrea su slanje signala na razliitim talasnim duinama sa to je mogue veim protokom, slanje na najvee mogue rastojanje sa to manjim brojem optikih pojaavaa i topologija mree koja omoguava jednostavno i efikasno upravljanje mreom, kontrolu i operacije u mrei. Da bi se ovo ostvarilo, pri konstrukciji mree mora se voditi rauna o raznim efektima koji postoje u optikim vlaknima. Ovi efekti utiu na smanjenje ili varijaciju nivoa signala u vlaknu. Za poetak tu je grupna disperziona brzina, GVD. Ona se manifestuje kroz proirenje emitovanog optikog impulsa, ime automatski ograniava maksimalnu vrednost protoka. Izbegava se korienjem prozora sa malom disperzijom, a to su 1310nm opseg za standardno vlakno, odnosno 1550nm opseg za vlakno sa pomerenom disperzijom. Dalje neravnomerno pojaanje u eljenom opsegu talasnih duina kod optikog pojaavaa, npr. EDFA. Ovo se eliminie korienjem specifiranog opsega gde je pojaanje konstantno. Pa, disperzija polarizacionog moda, koja poveava brzinu ortogonalnog polarizacionog moda kao rezultat dvostruke refrakcije. Ona predstavlja veliki problem, jer se teko izbegava, a naroito je izraena pri velikim protocima. Kao i refleksija od spojeve i konektore koja moe izazvati nestabilnosti u izvoru, odnosno laseru. Ovo se izbegava korienjem optikih izolatora. Tu je i proces nelinearnog neelastinog rasipanja, koji predstavlja interakciju izmeu optikih signala i molekularnih i akustinih vibracija u vlaknu. U ove procese spadaju stimulisana Ramanova i Briluenova rasipanja, stimulated Raman scattering, SRS i stimulated Brillouin scattering, SBS. I nelinearne varijacije indeksa refrakcije u silikonskom vlaknu, koje se javljaju zato to indeks refrakcije u vlaknu zavisi od nivoa signala u vlaknu. Ove varijacije proizvode efekte poput


Petar Matavulj 290

samofazne modulacije, SPM, self-phase modulation, unakrsna fazna modulacija, XPM, cross-phase modulation i etvrt-talasno miksovanje, FWM, four-wave mixing. SBS, SRS i FWM kao rezultat daju promenjivo pojaanje odreenih talasnih duina i poveavaju interferenciju izmeu njih. SPM i XPM ako rezultat daju samo promenu faze signala i vrlo su uoljivi na velikim protocima. Usled ovih efekata poveava se nivo BER-a, odnosno broj greaka, na ulazu prijemnika. Dodatna snaga koju angaujemo da bi ostvarili isti BER kao kod idealne linije naziva se penal snage, power penalty. Pored problema koje stvaraju nelinearni efekti, na ogranienje performansi utie i dizajn optikih pojaavaa u WDM linkovima, kao i same mree. Parametri koji su bitni su protok na linku, zahtevana optika snaga za odreenu vrednost BER-a i presluavanje. Ako WDM link ima N predajnika, koji rade sa protocima B1 do Bn, respektivno, ukupan protok na linku iznosi

=

=N

iiBB

1 ,

kad svi kanali imaju isti protok, kapacitet sistema je ustvari protok po jednom kanalu pomnoen sa brojem kanala. Ukupni kapacitet WDM linka zavisi od opsega ravnomernog pojaanja optikog pojaavaa i od toga koliko blizu jedan drugom mogu biti kanali u dostupnom optikom prozoru za prenos. Na izlazu demultipleksera, bitni sistemski parametri su nivo signala, nivo uma i presluavanje. Greka po bitu zavisi od odnosa signal-um na ulazu u fotodetektor. Ova vrednost odreuje kolika treba da bude optika snaga u svakom kanalu, koliko EDFA pojaavaa smemo da postavimo na odreenoj duini linka i vrednost slabljenja vlakna koju moemo tolerisati u datom sluaju. Vano je uoiti razliku izmeu nivoa uma u linku sa pojaavaima u odnosu na link bez pojaavaa. Kad u linku postoje optiki pojaavai faktor uma raste zbog toga to se signal i um pojaavaju u neidealnom optikom pojaavau. Ovo je posledica uticaja ASE, amplifier spontaneus emittion, uma, a uzrokuje pad odnosa signal-um du linka. Odnos signal um naglo opada na prvih par optikih pojaavaa, da bi se kasnije, kad ubacujemo sve vie optikih pojaavaa, taj pad usporio.

Sl.1 Prikaz meukanalnog presluavanja na primeru demultipleksera sa datim izrazom za penal snage, gde je odnos prosene primljene snage presluavanja i prosene primljene snage signala

Zbog toga to su kanali kod WDM tehnologije uski, da bi se na istom opsegu talasnih duina postiglo to vie kanala, raste presluavanje izmeu kanala. Presluavanje se deava u svim komponentama WDM sistema. Dva tipa presluavanja postoje, istokanalno i meukanalno. Meukanalno presluavanje nastaje od signala koji se prostire na susednom kanalu na razliitoj talasnoj duini. Nastaje zbog neidealnog razdvajanja talasnih duina u selektoru, a na primeru demultipleksera je prikazano na sl.1. Kod istokanalnog presluavanja, interferirajui signal se


Petar Matavulj 291

prostire na istoj talasnoj duini. Ovaj sluaj je ei od meukanalnog, jer kompletan signal upada u propusni opseg prijemnika. Ilustracija je na sl.2, u sluaju dva signala na istoj talasnoj duini. Zbog neidealnog komutatora deo neeljenog signala sa ulaznog porta 1 se interferira na izlaznom portu 3 sa eljenim signalom sa ulaznog porta 2. Na sl.1 i sl.2 su prikazani i izrazi za penale snage koje uzrokuju meukanalno i istokanalno presluavanje, respektivno.

Sl.2 Prikaz istokanalnog presluavanja i izraz za penal snage 1.5.1.VARIJANTE WDM MREA Postoji vie razliitih varijanti WDM sistema, koji se razlikuju po primeni impulsa ili njihove gustine u spektru talasnih duina. Neki od njih su DWDM, dense wavelength division multiplex, CPWDM, chirped pulse wavelength division multiplex i SSWDM, spectrum sliced wavelength division multiplex. Dense Wavelength division multiplex Ova varijanta se od osnovnog WDM-a razlikuje samo po gustini impulsa u spektru talasnih duina. Ovo je za ITU standard prikazano na sl.1, za 100GHz sisteme, a u osnovi razmak treba biti manji od 1,6nm da bi to bio DWDM. Razvoj ove varijante je postao mogu sa pronalaskom EDFA pojaavaa, kvalitetnije laserske tehnologije i optikih vlakana sa Bragg-ovom reetkom.

Sl.1 Primer rasporeda kanala u DWDM sistemu Chirped Pulse Wavelength division multiplex Dva formata impulsa su u upotrebi u optikim telekomunikacijama. To su impulsi sa i bez povratka na nulu. Impulsi bez povratka na nulu zahtevaju minimalni predajni i prijemni opseg, ali nemaju dobre osobine prema nelinearnim efektima. Kod impulsa sa povratkom na nulu, npr. solitona, konstrukcija sistema je takva da se nelinearni efekti, ponitavaju meusobno. Vrlo kratki impulsi sa povratkom na nulu su nastali kao meuformat ove dve vrste. Moe se rei da su oni neto izmeu standardnih impulsa bez povratka na nulu i solitona. Ovi impulsi se


Petar Matavulj 292

generiu pomou WDM predajnika sa laserima irokog optikog opsega sposobnih da proizvedu impulse trajanja ispod ps, kao na sl.3. Tehnika koja

Sl.2 SSWDM sa predajnikom u obliku iroko pojasnog izvora uma koristi ovakve impulse zove se CPWDM, i ima vie prednosti. Koristi se jedan laser i jedan modulator, a moe biti koriena kao konvertor iz optikog TDM-a u WDM. Broj upotrebljivih WDM kanala je maksimalan, u odnosu na ostale WDM tehnike. Spektralna efikasnost nije na zavidnom nivou, ali se moe poboljati tehnikama interlivinga. Ovakvi impulsi se generalno izbegavaju u NRZ, non-return-to-zero, sistemima, zbog toga to poveavaju optiki opseg, a samim tim i efekat GVD. RZ, return-to-zero, sistemi bi trebali biti podloniji uticaju nelinearnosti od NRZ sistema. Oekivano je da SPM na uzlaznoj i silaznoj ivici rezultuje irenjem spektra impulsa, ali za ovaj specijalni oblik impulsa SPM ak rezultuje suavanjem spektra impulsa. Naravno, suavanje je relativno i zavisi od oblika impulsa. Postoji i uticaj FWM, koja izaziva interkanalnu interferenciju. Iako FWM naroito zavisi od konfiguracije predajnog sistema, moe se generalno rei da e ona biti manja, ako su impulsi vrlo kratki, poput ovih koji se koriste u CPWDM sistemima. Uticaj FWM se poveeva ako koristimo interliving za poveanje kapaciteta sistema. Interlivingom izlaza mnogostrukih CPWDM predajnika, signali na razliitim talasnim duinama se preklapaju u vremenu. Razlika u odnosu na ostale WDM sisteme je to impulsi ostaju otri, pa je uticaj FWM mnogo kompleksniji i prvenstveno zavisi od parametara sistema. Spectrum sliced wavelength division multiplex Standardni WDM sistemi zahtevaju mnogostruke lasere, podeene da rade na razliitim talasnim duinama, koje se poklapaju sa portovima demultipleksera. Ovo je skupo reenje, iju cenu moe opravdati korienje u globalnim sistemima sa velikim nivoima protoka, ali ne i u pristupnim mreama malog protoka. U pristupnim pasivnim optikim mreama nam treba manji kapacitet, ali i povoljnija cena sistema. Cena sistema se moe znaajno smanjiti smanjenjem broja lasera i njihove kompleksnosti. Tako su nastali sistemi koji koriste LED, light emitting diodes, diode umesto skupih podesivih lasera. Ovi sistemi su mnogo jeftiniji, ali i pouzdaniji. Prednost ovakvih sistema je i u tome to su svi izvori isti, pa je samim tim lake odravanje, dok je topologija ista kao i kod standardnih WDM sistema, sl.1(wdm mree).


Petar Matavulj 293

Sl.3 ema predajnika za CPWDM, prikaz signala u nekoliko taaka WDM multiplekser je komponenta selektivna po talasnim duinama, koja svakoj ONU, optical network unit, u pristupnoj mrei alje odreeni kanal, prema talasnoj duini, odvojen od signala sa LED diode. WDM multiplekser sadri tano odreeni broj delova spektra LED diode na razliitim talasnim duinama. Svaki deo ima svoju odgovarajuu LED diodu, koja se nalazi u ONU kojoj je deo spektra namenjen. Poto se koristi samo deo ukupnog spektra na pojedinoj LED diodi, imamo dodatni gubitak, odnosno penal, snage, koji se naziva gubitak odsecanja. Zbog toga je prva generacija SSWDM sistema, koja koristi LED, bila limitirana na male protoke i prilagoena za pasivne optike mree u pristupnim mreama. Ako koristimo istu konfiguraciju kao kod standardnog WDM-a, za SSWDM nam je potrebno N LED dioda. Moemo takoe koristiti i konfiguraciju kao na sl.2 , u kojoj imamo samo jedan izvor svetlosti. Izvor u ovoj konfiguraciji mora biti irokopojasan i velike snage. LED dioda ima prilino irok spektar zraenja, 50nm100nm, ali snaga koju emituje nije dovoljna. Zato se koristi um, ASE, amplifier spontaneus emission, EDFA pojaavaa. On ima vrlo irok spektar i veliku snagu, pa je pogodan za ovu konfiguraciju. Ovaj signal je po svojoj prirodi nestabilan i stohastian, pa to stvara dodatni gubitak snage. Ovaj um moe imati visok nivo snage, pa se u budunosti SSWDM sistemi mogu koristiti i u globalnim mreama. 1.6.SOLITONI Kao to smo do sada konstatovali, efekat disperzije iri impuls tokom propagacije kroz optiko vlakno. Poseban oblik impulsa, poznat kao soliton, manje se menja pri delovanju nelinearnih efektata, u odnosu na obian impuls. Pojam soliton upuuje na specijalnu vrstu talasa koji prelaze velika rastojanja nepromenjenog oblika i na njih ne utie kolizija sa drugim talasima. John Scott Russell je prvi pisao o ovom fenomenu. On je gledao talase koje prave brodovi u uzanim kanalima kotske, i primetio da su oni vrlo visoki i ire se brzo i neoslabljeno preko velikih razdaljina. Poto stignu do manjih talasa, oni prelaze preko njih i pri tom ostaju nepromenjenog oblika. Primenjeno na optike komunikacije solitoni su uski impulsi velikog intenziteta, koji ne menjaju svoj oblik kroz interakciju sa balansiranom impulsnom disperzijom i nelinearnim efektima u optikom vlaknu. Efekti proirenja impulsa od GVD i suavanja impulsa koje uzrokuje SPM se mogu kontrolisati i kompenzovati. U zavisnosti od izabranog odreenog oblika impulsa, imamo impulse koji uopte ne menjaju svoj oblik, odnosno fundamentalne solitone i one koji svoj oblik menjaju periodino, odnosno solitone vieg reda. U svakom sluaju slabljenje vlakna utie na energiju signala, te se du optikog linka periodino postavljaju optiki pojaavai.


Petar Matavulj 294

1.6.1.SOLITONSKI IMPULSI Nijedan optiki impuls nije monohromatski, nego emituje spektar frekvencija, odnosno opseg talasnih duina. Ovo je naroito vano kod optikih pobuda velikih intenziteta, zbog nelinearnih efekata. Poto je medijum disperzivan, zbog GVD, impuls se dodatno iri propagacijom kroz vlakno. Dodatno, kad je u vlaknu pobuda velikog intenziteta, optika snaga modulie indeks refrakcije koji vidi pobuda. Ovo donosi fluktuacije faze signala, prouzrokujui efekat pucketanja impulsa. Prednja ivica impulsa usled ovoga ima niu uestanost, dok zadnja ivica ima viu uestanost u odnosu na frekvenciju nosioca. Kad se ovakav impuls prostire kroz medijum sa pozitivnim parametrom 2, parametar GVD, za odabranu frekvenciju, vodei deo impulsa je pomeren ka niim uestanostima, te on putuje bre kroz vlakno. Razumljivo, kod zadnjeg dela impulsa frekvencija raste, pa on putuje sporije kroz optiki medijum. Kao posledica ovoga, energija se iz centra impulsa iri na obe strane, pa impuls dobija

Sl.1 Promena impulsa visokog intenziteta u vremenu, kao posledica kerr efekta u optikom vlaknu sa pozitivnim GVD parametrom pravougaoni oblik. Ovaj efekat je prikazan na sl.1, du optikog medijuma, a on viestruko ograniava emitovanje velikih protoka na velika rastojanja. S druge strane, kad se impuls prostire kroz medijum sa negativnim parametrom GVD


Petar Matavulj 295

za odabranu frekvenciju, GVD kompenzuje efekat pucketanja koji nastaje zbog SPM. Zbog ovoga, solitonski impulsi visokog intenziteta sa otrim vrhom ne menjaju oblik ili spektar za vreme propagacije kroz vlakno. Za fundamentalne solitone, ovo je prikazano na sl.2. Sve dok je energija impulsa dovoljno jaka, impuls kroz medijum prolazi ouvanog oblika, to se vidi na sl.2. Zbog osobina standardnog optikog vlakna, odnosno jer je parametar 2 negativan za talasne duine iznad 1320nm, opseg talasnih duina koji se koristi za solitonsku emisiju je ogranien na opseg iznad 1320nm. Sl.2 Karakteristini impulsi visokog intenziteta, koji ne menjaju svoj oblik zbog kerr efekta, ako je vlakno sa negativnim GVD parametrom Da bi dobili potreban oblik impulsa za solitonsku transmisiju, moramo reiti nelinearnu Schroedinger-ovu jednainu ( )ujuuNtuzuj 2/2// 2222 += U datoj jednaini u(z,t) je funkcija anvelope imulsa, z je duina vlakna kroz koju propagira impuls, N je broj koji odreuje red solitona i je koeficient koji oznaava gubitak energije po jedinici duine vlakna, sa negativnom vrednou za gubitak energije. Parametri u ovoj jednaini su izraeni u specijalnim solitonskim jedinicama, da bi bile izbegnute konstante za skaliranje vrednosti. Tri osnovne pretpostavke za ovu jednainu su:

- efekat GVD u optikom vlaknu, delujui za sebe, disperzija tei da produi vremensko trajanje impulsa

- injenica da indeks refrakcije u optikom vlaknu zavisi od intenziteta signala, ovaj fenomen iri frekventni spektar impulsa tokom procesa samomodulacije

- efekat gubljenja ili dobijanja energije du vlakna, npr. zbog slabljenja samog vlakna ili optikih pojaavaa postavljenih du vlakna

Reavanje ove jednaine analitiki daje anvelopu impulsa koja je ili nezavisna od z za osnovne solitone, N=1, ili periodina po z za solitone vieg reda, N2. Ovde e biti predstavljen osnovni matematiki koncept reenja Schroedinger-ove jednaine za osnovne solitone. Za osnovne solitone, N=1, ovo reenje glasi

( ) ( ) ( )2/expsec, jzthtzu = gde je sech hiperbolina secant funkcija. Ovo je zvonasti oblik impulsa prikazan na grafiku 1. Grafik 1. Hiperbolina sekant funkcija, kojase koristi za solitonske impulse

Poto exp(jz/2) nema uticaja na oblik impulsa, solitoni su nezavisni od z i odatle nedisperzivni u vremenskom domenu.


Petar Matavulj 296

Ispitivanjem nelinearne schroedinger-ove jednaine moemo doi do zakljuka da su prvorazredni efekti disperzivnih i nelinearnih pretpostavki komplementarni fazni pomaci. Za impuls dat gornjom jednainom, pomaci faze su ( ) ( )dzthdztud nnlin 22 sec== , za nelinearni proces, i ( ) ( )[ ]dzthdztuud disp 222 sec2/1/2/1 == , za disperzivni efekat.

Grafik 2. Promena faze usled nelinearnosti i disperzije, kao i njihov zbir Ove promene faze se sabiraju i daju konstantnu vrednost . Ovo je prikazano na grafiku 2. Poto konstantna promena faze ne utie ni na vremenski ni na spektralni oblik impulsa, solitoni ostaju nedisperzivni i u vremenskom i u frekvncijskom domenu.

1.6.2.PARAMETRI SOLITONA Osnovni parametri solitoni su normalizovano vreme To, dispeziona duina Ldisp i

solitonska vrna snaga Ppeak. irina polumaksimuma impulsa je data kao irina impulsa na nivou polovine maksimalne

snage. Ova poluirina je za osnovni solitonski impuls u normalizovanom vremenu data sa ( ) 2/1sec 2 =h , sa dato sa ( )02/ TTS= ,

To je jedinica normalizovanog vremena, prikazano na grafiku 3. Odavde dobijamo


Petar Matavulj 297

SSS TTTT 567,07627,1/2cosh2/1

0 == , tipino oko 25ps za solitone.

Grafik 3. Definicija solitonske poluirine maksimuma snage prema normalizovanom vremenu

Disperziona duina je karakteristina duina za efekat disperzije. Ona je mera perioda solitona. Data je sa [ ] DcTDcTDcTL SSdisp 2212220 /2322,02cosh2/2/2 == , gde je c brzina svetlosti, talasna duina u vakuumu i D disperzija optikog vlakna. Red veliine je nekoliko stotina kilometara.

Solitonska vrna snaga je data sa ( ) 22322 /2/7627,12/ Seffdispeffpeak cTnDALnAP == ,

gde je Aeff efektivna povrina jezgra vlakna, n2 koeficijent indeksa refrakcije nelinearno zavisan od intenziteta i Ldisp je dato u kilometrima. Za N>1, solitonski impuls periodino menja oblik i spektar du vlakna, odnosno na svakih Lperiod dobija svoj poetni oblik. Ova vrednost rastojanja je data kao umnoak osnovne disperzione duine, odnosno

2/dispperiod LL = . Za primenu solitonskih impulsa, oni moraju biti dobro razdvojeni. To znai da irina solitona mora biti mala u odnosu na bitski interval. Ovo znai da moramo primenjivati format impulsa sa povratkom na nulu, a ne bez povratka na nulu koji se primenjuje u standardnim sistemima. Ovaj uslov nam ograniava mogui protok, jer postoji granica koliko uski mogu biti impulsi. Ako je Tb bitski interval, moemo povezati protok B sa solitonskom poluirinom Ts kao Sb TsTsTB 000 2/7627,12/1/1 === , gde je 2s0=Tb/T0 normalizovano razdvajanje izmeu susednih solitona. Fiziko objanjenje za potrebu separacije impulsa je da preklapanje repova solitona koji su blisko postavljeni stvara silu nelinearne interakcije izmeu njih. Ove sile mogu biti privlane ili odbojne, u zavisnosti od relativne faze solitona. Za solitone koji su inicijano u fazi i razdvojeni sa 2s0>>1, solitonsko razdvajanje je periodino sa oscilacionim periodom


Petar Matavulj 298

( ) 2/exp 0s= , Meusobne sile interakcije izmeu solitona u fazi tako rezultuju u periodino privlaenje, propadanje i odbijanje. Interakciono rastojanje je dato sa ( )0exp sLLL perioddispI == ovo rastojanje i naroito odnos LI/Ldisp odreuju maksimalni mogui protok u solitonskim sistemima. Ovakva interakcija nije poeljna u solitonskim sistemima, jer rezultuje promenjivom vremenu izmeu solitonskih impulsana prijemu. Za izbegavanje moemo primeniti metod sa poveanom vrednou s0. Uz ovo treba ispuniti uslov Ldisp>>LT, da ne bi imali solitonske interakcije u sistemu. Primenom dosadanjih rezultata za ovaj uslov dobijamo ( ) ( ) ( ) 22000202 8/exp16/exp/2 ssDscsLB T = , kad je prikazana u ovom obliku, jednaina odslikava zavisnost opsega B ili ukupne transmisione duine LT za odreenu vrednost s0.

1.6.3.DVODIMENZIONI SOLITONI Dugo je smatrano da samofokusiranje kao rezultat kubine kerr nelinearnosti indeksa refrakcije u optikom vlaknu kompenzuje irenje spektra koje je posledica difrakcije, kao to je i objanjeno. Ovo je tano, ali samo u jednoj dimenziji, dok u vie-dimenzionom sluaju ne odgovara istini. Zato su uvedeni prostorni solitoni, prvi put u tenom CS2, gde je interferenciona reetka koriena za stabilizaciju solitona. Posmatrana je propagacija zvuka kroz duga optika vlakna u atomskoj pari, gde imamo zasienu nelinarnost. Jednodimenzioni prostorni solitoni, po nelinearnoj Schroedinger-ovoj jednaini, su prvi put generisani u staklenom talasovodu 1990.

Nakon ovoga otkrivene su dve nove nelinearne interakcije u optikim vlaknima koje su podrale razvoj solitona. M. Segev je predvideo da bi se fotorefraktivni efekat u elektro-optikim materijalima mogao koristiti za zasienje nelinearnog indeksa refrakcije. Kao posledica su nasta

OM Skripta Opticke Mreze

Documents

Transcript of OM Skripta Opticke Mreze