ΗΜΥ 100 Εισαγωγή στην Τεχνολογία Οπτικές και Ασύρματες Τηλεπικοινωνίες

Παρουσίαση με θέμα: "ΗΜΥ 100 Εισαγωγή στην Τεχνολογία Οπτικές και Ασύρματες Τηλεπικοινωνίες"— Μεταγράφημα παρουσίασης:

1 ΗΜΥ 100 Εισαγωγή στην Τεχνολογία Οπτικές και Ασύρματες Τηλεπικοινωνίες
ΗΜΥ 100 Εισαγωγή στην Τεχνολογία Οπτικές και Ασύρματες Τηλεπικοινωνίες 6 Νοεμβρίου, 2007 Γεώργιος Έλληνας Επίκουρος Καθηγητής ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΚΥΠΡΟΥ

2 Οπτικές Τηλεπικοινωνίες
Η χρησιμοποίηση του φωτός για τη μετάδοση μηνυμάτων χρονολογείται από την αρχαιότητα. Τα σήματα καπνού, οι φωτιές σε σημεία ορατά από μεγάλη απόσταση, είναι παραδείγματα τέτοιων πρωτόγονων τρόπων επικοινωνίας χρησιμοποιώντας το φως. Στην Πελοπόννησο σώζονται ερείπια από φρυκτωρίες, δηλ. τηλεπικοινωνιακούς πύργους κτισμένους σε βουνά οι οποίοι χρησίμευαν για τη μετάδοση μηνυμάτων με το άναμμα της φωτιάς. Οι ευρισκόμενοι στην πλησιέστερη στο συμβάν φρυκτωρία άναβαν φωτιά για να ειδοποιήσουν επειγόντως τους υπολοίπους. Με το άναμμα της φωτιάς από φρυκτωρία σε φρυκτωρία μεταδιδόταν η πληροφορία προς τον προορισμό. Η Ορέστεια του Αισχύλου αναφέρει ότι με τον τρόπο αυτό μεταφέρθηκε στις Μυκήνες η πληροφορία της κυρίευσης της Τροίας το 1200 π.Χ. (Εννοείται ότι χρειαζόταν προσυνεννόηση μεταξύ του αποστολέα και του παραλήπτη για την ερμηνεία του μηνύματος, μια και το άναμμα ή όχι της φωτιάς απλά ειδοποιούσε ότι κάποιο συγκεκριμένο συμβάν έγινε ή δεν έγινε). Υπό την παραπάνω έννοια, ακόμα και τα μαύρα πανιά του καραβιού του Θησέα τα οποία ειδοποίησαν λανθασμένα τον Αιγέα, πατέρα του μυθικού ήρωα ότι ο γιος του φαγώθηκε από το Μινώταυρο, ήταν ένα είδος οπτικών τηλεπικοινωνιών μεγάλων αποστάσεων! [Πηγή : A. Αλεξόπουλου και Γ. Λαγογιάννη, Τηλεπικοινωνίες και δίκτυα υπολογιστών, σελ. 24]

3 Οπτικό Σύστημα Οπτικός πομπός Οπτικός δέκτης Δεδομένα Ενισχυτής
Ισχύος Γραμμής Προενισχυτής Ίνα Ίνα Φωτοδίοδος Εξωτερικός Οπτικό Αποδιαμορ φωτής Διαμορφωτής φίλτρο Laser/LED Οπτικός πομπός Οπτικός δέκτης

4 Οπτικό Σύστημα

5 Εξέλιξη των τηλεπικοινωνιών
Ένα κριτήριο αξιολόγησης των τηλεπικοινωνιακών συστημάτων είναι το γινόμενο του ρυθμού σηματοδοσίας B επί την απόσταση L. Το σχήμα της διαφάνειας αυτής δείχνει την αύξηση του γινομένου BL στο διάστημα Τα οπτικά τηλεπικοινωνιακά συστήματα με οπτικές ίνες, τα οποία έχουν αρχίσει να εγκαθίστανται σε όλο τον κόσμο από το τέλος της δεκαετίας του 70, έχουν αυξήσει εκπληκτικά το γινόμενο BL κι έχουν επιφέρει πραγματική επανάσταση στο χώρο των τηλεπικοινωνιών.

6 Σημαντικές στιγμές στην ιστορία των Oπτικών Τηλεπικοινωνιών
1870 Ανακάλυψη κυματοδήγησης του φωτός 1955 Ανακάλυψη οπτικής ίνας 1962 Ανακάλυψη laser ημιαγωγού 1966 Πρώτη χρήση οπτικής ίνας στις οπτικές τηλεπικοινωνίες 1970 Ανακάλυψη οπτικής ίνας χαμηλής εξασθένισης (< 20 dB/km) Πρώτα lasers ημιαγωγού σε θερμοκρασία δωματίου 1977 Πρώτο σύστημα οπτικών τηλεπικοινωνιών (Σικάγο, Η.Π.Α.) 1988 Πρώτο οπτικό υπερατλαντικό καλώδιο (ΤΑΤ-8) 1996 Μετάδοση 1 Tb/s σε οπτική ίνα (1) Από τον J. Tyndall. (2) Δίπλωμα ευρεσιτεχνίας τον N. S. Kapany. (3) Από τέσσερις ερευνητικές ομάδες ταυτόχρονα: -M. I. Nathan et al., (IBM). Applied Physics Letters. 1, p. 62, 1962. -R. N. Hall et al., (GEC). Physical Review Letters. 9, p. 366, 1962. -T. M. Quist et al., (MIT). Applied Physics Letters. 1, p. 91, 1962. -N. Holonyak and S. F. Bevacqua, (GEC). Applied Physics Letters. 1, p. 82, 1962. (4) Από τον C. K. Kao. (5) Από τους D. B. Keck, R. D. Maurer, και P. C. Schultz. (6) Από την ομάδα του Z. Alferov,Ioffe Physical Institute του Leningrad και ανεξάρτητα, από τους M. Panish και I. Hayashi, Bell Labs.

7 Ανατομία μιας οπτικής ίνας
Διάμετρος: Μονότροπη οπτική ίνα: 8 μm πυρήνας, 125 μm μανδύας Πολύτροπη οπτική ίνα : 50, 62.5, 100 μm πυρήνας, 125 μm μανδύας Μια οπτική ίνα (καλείται επίσης ινύαλος ή υαλόνημα) είναι ένας διηλεκτρικός κυλινδρικός κυματοδηγός που αποτελείται από ομόκεντρες στρώσεις γυαλιού διαφορετικού δείκτη διάθλασης. Το εσωτερικό της ίνας καλείται πυρήνας και το αμέσως επόμενο στρώμα ονομάζεται μανδύας. Τα δυο αυτά στρώματα περιβάλλονται από ένα ή περισσότερα προστατευτικά περιβλήματα από πλαστικό. Ανάλογα με τη διάμετρο του πυρήνα οι ίνες διακρίνονται σε μονότροπες ή πολύτροπες (η ορολογία θα διευκρινιστεί στο επόμενο μάθημα).

8 Πλεονεκτήματα οπτικών ινών
Μεγάλο εύρος ζώνης (~25 THz/παράθυρο στο υπέρυθρο 0.8,1.3 και 1.55 μm) Χαμηλή εξασθένιση (~0.25 dB/km στο 1.55 μm) Χαμηλό κόστος παραγωγής (~cents/km) Μικρoσκοπικό πάχος (~μm) Αναισθησία σε ΗΜ παρεμβολές Προστασία από πιθανές υποκλοπές (;) Η επαναστατική τεχνολογία των οπτικών ινών παρουσιάζει μόνο πλεονεκτήματα: τεράστιο εύρος ζώνης, ικανό να περάσει δισεκατομμύρια πολυπλεγμένες ψηφιακές τηλεφωνικές κλήσεις, χαμηλή εξασθένιση (οι οπτικές ίνες είναι τόσο διαφανείς ώστε αν οι ωκεανοί γέμιζαν με το υλικό του πυρήνα θα μπορούσαμε να δούμε τον πυθμένα ακόμα και στα πιο βαθιά σημεία), μικρό κόστος (γιατί οι οπτικές ίνες φτιάχνονται από γυαλί υψηλής καθαρότητας (οξείδιο του πυριτίου, SiO2) και το πυρίτιο είναι το πιο άφθονο υλικό του πλανήτη), μικρό μέγεθος (οι οπτικές ίνες έχουν διατομή μικρότερη από αυτή μιας ανθρώπινης τρίχας), εισάγουν μηδενικό θόρυβο (γιατί στο γυαλί, που είναι διηλεκτρικό, δεν υπάρχουν ελεύθερα ηλεκτρόνια που να βρίσκονται σε θερμική κίνηση και να προκαλούν θερμικό θόρυβο) και τέλος ασφάλεια (είναι πολύ δύσκολο να παρέμβει κανείς και να υποκλέψει ή να παρεμβάλει δεδομένα).

9 Μειονεκτήματα οπτικών ινών
Μικρές διαστάσεις των ινών, πχ μονότροπη ίνα έχει τυπική διάμετρο πυρήνα 8 m - ένωση ινών είναι δύσκολη - σύζευξη φωτός από lasers στις ίνες είναι δύσκολο (οδηγεί σε ψηλά κόστη για pigtailed lasers). Μπορεί να μην είναι πάντα η λύση χαμηλότερου κόστους για μικρές αποστάσεις (πχ fiber to the home), αλλά συνήθως οι εφαρμογές είναι αυτές που καθορίζουν την τεχνολογία!

10 Εξέλιξη της εξασθένισης της οπτικής ίνας
D. B. Keck, R. D. Maurer, P. C. Schultz Corning, Inc. Εθνικό Μετάλλιο Τεχνολογίας ΗΠΑ 2000 Εφευρέτες της πρώτης οπτικής ίνας χαμηλής εξασθένισης (1970) Στη διαφάνεια αυτή φαίνεται η εξέλιξη της εξασθένισης της οπτικής ίνας (αριστερό σχήμα) κι η ομάδα της εταιρείας Corning Inc. η οποία κατασκεύασε την πρώτη ίνα χαμηλών απωλειών το 1970 (δεξιά φωτογραφία) . Παρατηρούμε ότι οι σύγχρονες οπτικές ίνες παρουσιάζουν τρία παράθυρα χαμηλής εξασθένισης σε μήκη κύματος 1.55, 1.3 και 0.85 mμ αντίστοιχα. Το πρώτο παράθυρο χρησιμοποιείται στα σύγχρονα οπτικά τηλεπικοινωνιακά συστήματα και δίκτυα με οπτικές ίνες.

11 Τα φασματικά παράθυρα των οπτικών ινών προσφέρουν
μεγάλο εύρος συχνοτήτων

12 Η αγορά των οπτικών ινών
~600 εκατομμύρια km οπτικών ινών έχουν εγκατασταθεί παγκοσμίως Η ετήσια κατανάλωση οπτικών ινών μόνο το 2001 ήταν 110 εκατομμύρια km (έναντι 230 εκατομμύρια km χάλκινων καλωδίων) Το συνολικό μήκος των εγκατεστημένων οπτικών ινών σε όλον τον πλανήτη είναι αυτή τη στιγμή ίσο με 1653 φορές την απόσταση γης-σελήνης (η οποία είναι km). Κι έπεται συνέχεια.

13 Το διαδίκτυο κι η ανάγκη των οπτικών τηλεπικοινωνιών
Με τη ραγδαία αύξηση των χρηστών του διαδικτύου, η διακίνηση δεδομένων αυξάνεται με ταχύ ρυθμό στις δυτικές χώρες (~40% το χρόνο) (Αυτό το νούμερο δεν είναι ακριβές. Εξαρτάται από την εκάστοτε χώρα. Επίσης θα πρέπει να σημειώσει κανείς ότι η αύξηση των χρηστών του διαδικτύου σε όλο τον πλανήτη δεν είναι ομοιόμορφη. Υπάρχει μεγάλη διαφορά μεταξύ των τεχνολογικά προηγμένων και των υπολοίπων χωρών του πλανήτη. Δες για παράδειγμα την επόμενη διαφάνεια). Σε πολλές χώρες του δυτικού κόσμου, π.χ. στις ΗΠΑ, η διακίνηση δεδομένων έχει ήδη ξεπεράσει σε όγκο όλες τις υπόλοιπες υπηρεσίες του τηλεφωνικού δικτύου, με κίνδυνο να μπορεί να προκαλέσει τη συμφόρηση του υπάρχοντος τηλεφωνικού δικτύου στο άμεσο μέλλον. Για αν αντιμετωπιστεί το επικείμενο πρόβλημα στις χώρες αυτές, χρειάζεται άμεση αναβάθμιση της χωρητικότητας του υπάρχοντος τηλεφωνικού δικτύου έτσι ώστε να μπορεί να υποστηρίξει ταυτόχρονα υπηρεσίες ευρείας ζώνης σχετικές με τη μεταφορά φωνής, εικόνας και δεδομένων, μεταξύ δύο ή περισσοτέρων σημείων ταυτόχρονα. Επιπλέον, χρειάζεται μια αλλαγή στη συνολική φιλοσοφία σχεδίασης των κόμβων του τηλεφωνικού δικτύου, οι οποίοι είχαν αρχικά προοριστεί για τη διακίνηση μόνο τηλεφωνημάτων. Για την αύξηση της χωρητικότητας, σε όλες τις χώρες εγκαθίστανται τηλεπικοινωνιακά συστήματα και δίκτυα οπτικών ινών.

14 Η Διεθνής Ένωση Τηλεπικοινωνιών (International Telecommunications Union, ITU) ιδρύθηκε το 1865 και λειτουργεί υπό την αιγίδα των Ηνωμένων Εθνών, έχει έδρα τη Γενεύη και απαρτίζεται από 166 κράτη μέλη. Η ITU εκδίδει τακτικά συστάσεις για την τυποποίηση των τηλεπικοινωνιακών συστημάτων και δικτύων, έτσι ώστε να είναι δυνατή η διασύνδεση συσκευών και διατάξεων από διαφορετικές κατασκευάστριες εταιρείες. Η ITU κυκλοφόρησε το Νοέμβρη του 2003 μια μελέτη που κατατάσσει τις 178 χώρες του πλανήτη με βάση τη δυνατότητα πρόσβασης στο διαδίκτυο. Στον παγκόσμιο χάρτη της διαφάνειας αυτής, το ύψος κάθε χώρας αντιστοιχεί στο δείκτη ψηφιακής πρόσβασης (digital access index, DAI), ο οποίος υπολογίζεται με βάση μια σειρά στοιχείων που αφορούν το κόστος σύνδεσης στο διαδίκτυο σε κάθε χώρα, το ποσοστό του συνολικού πληθυσμού που διαθέτει γρήγορη πρόσβαση στο διαδίκτυο, κ.α. Οι τέσσερις από τις πέντε πρώτες χώρες του πλανήτη είναι Σκανδιναβικές ενώ οι πέντε τελευταίες Αφρικανικές. Για να καταλάβουμε γιατί συμβαίνει αυτό, ας θεωρήσουμε, για παράδειγμα, τη μεγαλύτερη σε πληθυσμό χώρα της Αφρικής, τη Νιγηρία. Σύμφωνα με τα δεδομένα της τράπεζας World Bank, το μέσο ημερομίσθιο ενός Νιγηριανού για το 2002 ήταν λιγότερο από $1 την ημέρα (μέσο ετήσιο εισόδημα $290 ανά κάτοικο) ενώ η ετήσια συνδρομή για τηλέφωνο και σύνδεση στο διαδίκτυο κοστίζει 3.5 φορές περισσότερο από το μέσο ετήσιο εισόδημα, κάνοντας την τελευταία να φαντάζει περιττή πολυτέλεια. Με βάση τα παραπάνω δεδομένα, η Νιγηρία είναι πρακτικά αποκομμένη από τον υπόλοιπο κόσμο, έστω κι αν η πρωτεύουσα της, το Λάγγος, έχει πρόσβαση χωρητικότητας 5 Gb/s σε ένα από τα πιο σύγχρονα υποθαλάσσια καλώδια οπτικών ινών, το South Atlantic Telecommunications Cable No. 3 (SAT-3) με συνολική χωρητικότητα 120 Gb/s και κόστος εγκατάστασης 650 εκατομμύρια δολάρια. Η πρόσβαση αυτή παραμένει ουσιαστικά αναξιοποίητη, αφού το 2003 μόνο μία εταιρία της Νιγηρίας (θυγατρική της αμερικανικών συμφερόντων εταιρείας πετρελαιοειδών Shell) ήταν συνδεδεμένη σε αυτό. Από το IEEE Spectrum, Feb. 2004, pp and pp Για περισσότερες πληροφορίες:

15 Οπτικά συστήματα

16 Υποθαλάσσιο δίκτυο οπτικών ινών

17 Υποθαλάσσιο δίκτυο οπτικών ινών
Undersea cable laying ship, Cagayan de Oro beach landing

18 FLAG Atlantic 1997: Το πρώτο υπερατλαντικό τηλεφωνικό καλώδιο χαλκού το 1956 μπορούσε να μεταφέρει 36 συνομιλίες; Το πρώτο καλώδιο οπτικών ινών που εγκαταστάθηκε το 1988 στον Ατλαντικό μπορούσε να μεταφέρει 8,000 κανάλια (64 kb/s) σε δύο ζεύγη οπτικών ινών. Το Fiber-optic Link Around the Globe (FLAG) μπορεί να μεταφέρει 120,000 κανάλια (64-kb/s) σε δύο ζεύγη οπτικών ινών. Το αρχικό πρόγραμμα FLAG όταν τελείωσε τον Σεπτέμβρη του 1997 ήταν η μακρύτερη κατασκευή στον κόσμο. Με την ολοκλήρωση του συνδέει την Αγγλία με την Ιαπωνία με ένα σύστημα υποθαλασσίων οπτικών ινών που καλύπτουν μια έκταση μεγαλύτερη από 28,000 km (περισσότερη από 2/3 της περιφέρειας της γης)

19 Υπερατλαντικό καλώδιο FLAG Atlantic-1
Ρυθμός σηματοδοσίας (Tb/s):2.4/κατεύθυνση Μήκος (km): 6250/κατεύθυνση Κόστος κατασκευής (δις Δολάρια):1.1 Χώρες που συνδέονται:ΗΠΑ, Γαλλία, Αγγλία Κοινοπραξία FLAG=Fiber Loop Around the Globe Το πρώτο υπερατλαντικό καλώδιο με χωρητικότητα πολλών Tb/s Συνδέει τη Νέα Υόρκη, το Λονδίνο και το Παρίσι Μπορεί να μεταφέρει πάνω από 200 ώρες ψηφιακού video, 30 εκ. τηλεφωνήματα ή πάνω από 2 τρις εκ. δεδομένων ανά δευτερόλεπτο μέσα από τον Ατλαντικό ωκεανό. Κάθε ζεύξη περιλαμβάνει ένα ζεύγος καλωδίων με 6 οπτικές ίνες έκαστο, συνολικής χωρητικότητας 4.8 Tb/s βασισμένο σε πυκνή πολυπλεξία κατά μήκος κύματος. Two landings in Europe - one in Saint Brieuc, France and the other in Cornwall, UK Three self-healing, high capacity loops with twin terrestrial access points Two sub-sea sections of the cable are approximately 6,000 kilometres and 6,500 kilometres respectively, while the two terrestrial rings are approximately 120 kilometres and 1850 kilometres in length. This gives an overall system length of around 14,500 kilometres. Operating since June 2001

20 Υπερατλαντικό καλώδιο FLAG Atlantic-1
Ισοδύναμο με όλες τις εφημερίδες του κόσμου για τα τελευταία 300 χρόνια να μεταδίδονται στην άλλη πλευρά του Ατλαντικού ή περίπου ισοδύναμο με 30 εκατομμύρια ταυτόχρονα τηλεφωνήματα σε 1 δευτερόλεπτο. ( Συστήματα που δουλεύουν με 8 Tb/s σε αποστάσεις μεγαλύτερες των 6,500 km διατίθενται τώρα από διάφορες εταιρείες

21 What’s next? Sea-Me-We3 39,000 km 20 Gb/s (8  2.5 Gb/s)

22 Νόμος του Gilder 3x εύρος ζώνης/χρόνο για 25 χρόνια 1 fiber = 25 Tbps
Σήμερα: 10 Gb/s ανά κανάλι 4-128 κανάλια ανά ίνα: > 40 Gb/s ίνες/καλώδιο: > 1.2 Tb/s/καλώδιο Θεωρητικά 25 Tb/s ανά ίνα Ολικό εύρος ζώνης διπλασιάζεται κάθε 8 μήνες! 1 fiber = 25 Tbps

23 Τάσεις: Αυξανόμενη κίνηση δεδομένων
30 Relative Load e-commerce $3 τρισεκατομμύρια μέχρι το 2003 20 10 POTS δεν δημιουργούν πλέον σημαντικά κέρδη Οι Τηλεπικοινωνίες είναι τώρα ο τρίτος μεγαλύτερος τομέας της παγκόσμιας οικονομίας

24 Τάσεις: Αυξανόμενη κίνηση δεδομένων
Source: Corning International Network Traffic Model

25 Τάσεις: Εξέλιξη σε πιο ψηλούς ρυθμούς δεδομένων
Studio Quality Digital HDTV 0.01 0.1 1 10 100 1000 10,000 1080 Medical Imaging Quality Digital Video 650 Studio Quality Digital Video 216 Compressed Digital Video (MPEG) 8 Professional Quality Stereo Audio 2.3 CD Quality Stereo Audio 1.4 Voice 0.064 Data rate (Mb/s):

26 Τάσεις: Εξέλιξη σε πιο ψηλούς ρυθμούς δεδομένων
10,000 1,000 100 10 1 0.1 0.01 0.001 BT, Bit rate Gb/s 1990 1998 2006 2014 Year Ethernet Telecoms Ethernet: Χ 10 φορές αύξηση ρυθμού δεδομένων κάθε δύο χρόνια

27 Οπτικές Ίνες ανά το παγκόσμιο
0.001 0.01 0.1 1 10 100 1000 Cumulative length (millions km) Year 1975 1980 1985 1990 1995 2000 Source: Corning

28 Γιατί χρειαζόμαστε όλο αυτό το εύρος ζώνης?

29 Τάσεις για E-commerce 160% Buy airline tickets 140% 120% 100%
Change 80% Banking Shopping 60% Check weather 40% Gamble Share prices Travel information 20% Download software Sports scores 0% Internet searches Chat rooms - 20% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% Online users frequently/occasionally engaging in activity (2001)

30 Μελλοντικές ανάγκες εύρους ζώνης
1990 2000 2010 2020 Year Source: Corning Mainstream Graphics Text Voice Frontier HDTV Webcasting, streaming video Multimedia Future Web agents Metacomputing 3-D multimedia Telemedicine Today = 1 Tb/s 10 × 1000 × 1,000 × (1 Pb/s) 100,000 × 1,000,000 × Required bit rate (Tb/s)

31 Κατηγορίες οπτικών τηλεπικοινωνιακών συστημάτων
Κατηγορίες οπτικών τηλεπικοινωνιακών συστημάτων Κατευθυνόμενες Free Space e.g. intersatellite links Ολοκληρωμένα οπτικά (Integrated Optics) Χρησιμοποιούνται για λειτουργικότητα, πχ μεταγωγή, διαίρεση και συνδυασμό σήματος, πολυπλεξία, κτλ Οπτικές Ίνες - Άριστο μέσο μετάδοσης - Υπερισχύει στις ενσύρματες τηλεπικοινωνίες μεγάλων αποστάσεων

32 Τεχνικές Πολυπλεξίας Το διαθέσιμο εύρος ζώνης είναι μερικά Tbps – Όμως δεν υπάρχουν ηλεκτρονικές συσκευές πιο γρήγορες από μερικές δεκάδες Gbps. Πως μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε όλο αυτό το εύρος ζώνης ?? Για να χρησιμοποιήσουμε αποτελεσματικά το εύρος ζώνης σε μονότροπες οπτικές ίνες χρειαζόμαστε κάποια τεχνική πολυπλεξίας => χρησιμοποιούμε πολυπλεξία κατά μήκος κύματος (WDM) TDM : Διαφορετικές ροές δεδομένων χαμηλότερων ρυθμών (data rates) πολυπλέκονται σε μια ροή δεδομένων ψηλότερου ρυθμού χρησιμοποιώντας πολυπλεξία με διαίρεση χρόνου (Time Division Multiplexing (TDM)) WDM : Ταυτόχρονη μετάδοση δεδομένων σε διαφορετικά μήκη κύματος (όπως το FDM στα ραδιοφωνικά συστήματα) This report assumes the deployment of WDM technologies in LEC transport networks. The purpose of this report is to provide a preliminarily review of the different protection and restoration options that can be used in WDM transport networks, to compare their cost-performance features, and to investigate strategies that may optimize deployment among these options based on cost- performance criteria. Some of the performance aspects include survivability measures, speed of restoration, implementation complexity, operations and administrations, and interaction with higher layers. It should be noted though that many of the WDM protection and restoration details remain to be further studied and specified, as is always the case when new technologies are introduced. Section 2 summarizes WDM protection architectures including 1+1 and 1:1 point- to-point systems, and WDM ring systems. Section 3 reviews WDM restoration architectures based on OXC (e.g., WSXC, WIXC) NEs. Section 4 provides a cost comparison between physical protection and mesh restoration implementations in representative reference networks. Section 5 provides a performance comparisons among the various protection and restoration options. Section 6 provides a “road- map” of interworking issues in SONET/WDM networks. Based on the results of Section 5 and embedded base aspects, Section 7 investigates several strategies for optimizing the cost-survivability of WDM based transport networks. The conclusions of this report with respect to the choice between WDM protection and restoration are summarized in Section 8.

33 Τεχνικές Πολυπλεξίας TDM : WDM : B bps NB bps 1 . N
l1, l2, …, lN This report assumes the deployment of WDM technologies in LEC transport networks. The purpose of this report is to provide a preliminarily review of the different protection and restoration options that can be used in WDM transport networks, to compare their cost-performance features, and to investigate strategies that may optimize deployment among these options based on cost- performance criteria. Some of the performance aspects include survivability measures, speed of restoration, implementation complexity, operations and administrations, and interaction with higher layers. It should be noted though that many of the WDM protection and restoration details remain to be further studied and specified, as is always the case when new technologies are introduced. Section 2 summarizes WDM protection architectures including 1+1 and 1:1 point- to-point systems, and WDM ring systems. Section 3 reviews WDM restoration architectures based on OXC (e.g., WSXC, WIXC) NEs. Section 4 provides a cost comparison between physical protection and mesh restoration implementations in representative reference networks. Section 5 provides a performance comparisons among the various protection and restoration options. Section 6 provides a “road- map” of interworking issues in SONET/WDM networks. Based on the results of Section 5 and embedded base aspects, Section 7 investigates several strategies for optimizing the cost-survivability of WDM based transport networks. The conclusions of this report with respect to the choice between WDM protection and restoration are summarized in Section 8.

34 Πολυπλεξία κατά μήκος κύματος
Πομποί Ενισχυτές γραμμής Δέκτες Πολυπλέκτης Ενισχυτές γραμμής Αποπολυπλέκτης Πομποί Δέκτες

35 Πολυπλεξία κατά μήκος κύματος (Wavelength Division Multiplexing (WDM))
Πολυπλεξία καναλιών από διαφορετικούς χρήστες στην ίδια οπτική ίνα Το οπτικό φάσμα μετάδοσης διαμοιράζεται σε ένα αριθμό (μη επικαλυπτόμενων) ζωνών μήκων κύματος, με το κάθε μήκος κύματος να χρησιμοποιείται για ένα κανάλι επικοινωνίας. Η διαφορά μεταξύ ηλεκτρονικής και οπτικής είναι η ευκρίνεια (granularity) (Electronics provide finer granularity and rich connectivity whereas optics provide coarser granularity and large throughput). Reference [1] provided a detailed description of WDM architectures that are based on APS schemes. In this section we review the major WDM protection architectures and briefly describe their main features. The common features of WDM protection schemes are that they are based on 100% redundancy of optical layer facilities and on WDM APS mechanisms that are activated when failures occur. The APS feature allows service protection in a time scale of several ms.

36 Πολυπλεξία κατά μήκος κύματος (Wavelength Division Multiplexing (WDM))
. καλώδιο ίνα Μήκη κύματος l1 l2 l3 τυπική απόσταση 0.2-1nm Reference [1] provided a detailed description of WDM architectures that are based on APS schemes. In this section we review the major WDM protection architectures and briefly describe their main features. The common features of WDM protection schemes are that they are based on 100% redundancy of optical layer facilities and on WDM APS mechanisms that are activated when failures occur. The APS feature allows service protection in a time scale of several ms.

37 Οπτικά δίκτυα

38 Το φυσικό στρώμα σήμερα
OC192 OC48 Υπεραστική τηλεφωνία OC3/OC12 DCS Αστική Τηλεφωνία CO HUB Αστική Τηλεφωνία Super HUB N. Ghani et al., Optical Fiber Telecommunications IVB, Ch.8 Τοπικά Δίκτυα

39 Το φυσικό στρώμα αύριο WDM OC12/192 DCS/OXC WDM CO DWDM HUB DWDM
Υπεραστική τηλεφωνία OC12/192 Αστική Τηλεφωνία DCS/OXC WDM CO Αστική Τηλεφωνία DWDM HUB DWDM Super HUB Τοπικά Δίκτυα

40 Οπτικοί κόμβοι Τερματικός κόμβος Wavelength Terminal Multiplexer (WTM)
Κόμβος προσθήκης/απαγωγής μηκών κύματος Wavelength Add/Drop Multiplexer (WADM) Κόμβος δρομολόγησης μηκών κύματος Wavelength Selective Crossconnect (WSXC) WTM WADM WSXC

41 Τερματικός κόμβος l l l l l l l l l DFB Lasers και διαμορφωτές WTM
1 2 l Combiner 3 EDFA l 4 To the l 8 x 8 5 network l 6 l 7 l 8 Receiver Array l 1 2 EDFA DMUX From the network l 8

42 Κόμβος προσθήκης/απαγωγής μ.κ.
WADM ΣΥΜΒΟΛΑ l 1 EDFA EDFA 2x2 διακόπτης l 2 DMUX MUX Εξασθενητής με βρόχο αυτομάτου ελέγχου l N

43 Κόμβος δρομολόγησης μ.κ.
WSXC Κόμβος δρομολόγησης μ.κ. EDFA DMUX MUX EDFA l1 l l8 Input 1 l l8 Output 1 l8 l1 4x4 l l8 Input l l8 space switch Output 2 2 l8 l1 l1 l1 l1 l l8 l l8 Input l2 Output 4 l3 4 l4 l8 l5 l6 l7 l8 Servo- controlled attenuators

44 WDM Αρχιτεκτονικές Δικτύου
Συστήματα επικοινωνίας μεταξύ δύο σημείων (Point-to-point) Δίκτυα τοπολογίας δακτυλίου (ring) Δίκτυα τοπολογίας βρόγχου (mesh)

45 Σύστημα επικοινωνίας μεταξύ δύο σημείων
(point-to-point) l1 l1 . . . . . . Mux/Demux Mux/Demux lN lN 120km 600km

46 Αρχιτεκτονική Δακτυλίου (Ring Network Architecture)
2 Fiber WDM Ring Electronic Equipment 2 Fiber WADM (Wavelength Add-Drop Mux) SONET or Other NE Central Office

47 Element Management System
Αρχιτεκτονική Βρόγχου (Mesh Network Architecture) Wavelength Cross-connect Element Management System

48 Αρχιτεκτονικές Δικτύων
Σενάριο Εξέλιξης WDM link Inter-office 1-2.5 Gbps/wavelength 8-32 wavelengths WDM Ring WADM ADM Reference [1] provided a detailed description of WDM architectures that are based on APS schemes. In this section we review the major WDM protection architectures and briefly describe their main features. The common features of WDM protection schemes are that they are based on 100% redundancy of optical layer facilities and on WDM APS mechanisms that are activated when failures occur. The APS feature allows service protection in a time scale of several ms. SONET Ring OXC Star Ring WDM backbone

49 Αρχιτεκτονικές Δικτύων
32 l ATM Switch IP Router WDM Backbone Network Metro WDM Network Access Network ATM/IP/SONET SONET Ring 64 l

50 Κόστος Δικτύων (point-to-point)
large spare capacity H2 4 Capacity/Cable Exhaust large spare capacity 100 miles H1 3 large spare capacity large spare capacity 1 2 large spare capacity

51 H2 4 H1 1 2 3 ... Κόστος Δικτύων (point-to-point)
e.g 16 μήκη κύματος και ένας οπτικός ενισχυτής => οικονομία 16 ινών και 16 O/E/O αναγεννητές ($80K για κάθε σήμα OC-48 Gbps) H2 4 H1 1 2 3 WDM Terminal Capacity/Cable Exhaust Relief 16 fold increase in capacity ...

52 H1 H2 1 4 2 3 100 miles Κόστος Δικτύων (δακτύλιοι) large spare
capacity H1 H2 1 2 3 4 100 miles Traffic: One OC-48 between each CO and the two hubs Capacity/Cable Exhaust Capacity/Cable Exhaust 1 4 large spare capacity Capacity/Cable Exhaust 2 3 Capacity/Cable Exhaust

53 Κόστος Δικτύων (δακτύλιοι)
H1 H2 1 2 3 4 OC-48 4x OC-48 1. Backhoe Solution: Ψηλό κόστος - $6M 2. OC-192 TDM solution: 0 % spare capacity in network 10 Add/Drop Muxes Cost = 10 x $300K = $3M 3. OC-48 WDM 16 Solution: 50 % spare capacity in network 6 Wavelength Add/Drop Muxes Cost = 6 x $375K = $2.25M

54 Διασύνδεση Η/Υ

55 Οπτικές συνδέσεις σε Η/Υ Ι
Σήμερα Σε 5-10 χρόνια Ένας μικροεπεξεργαστής Pentium 4 του 2002 λειτουργεί με συχνότητα ρολογιού 2.4 GHz αλλά επικοινωνεί με τα υπόλοιπα ολοκληρωμένα κυκλώματα μέσα στον ηλεκτρονικό υπολογιστή μέσω ενός καναλιού που λειτουργεί με συχνότητα ρολογιού 400 MHz. Προβλέπεται ότι η ταχύτητα των μικροεπεξεργαστών θα συνεχίσει να αυξάνει (π.χ. η Intel έχει ανακοινώσει ότι θα κυκλοφορήσει στις αρχές του 2004 το Pentium 5 που εικάζεται ότι θα λειτουργεί με συχνότητα ρολογιού 5-7 GHz και ταχύτητα καναλιού 4 GHz). Για να αυξηθεί η ταχύτητα των συνδέσεων στο εσωτερικό των ηλεκτρονικών υπολογιστών χρειάζεται αντικατάσταση των χάλκινων καλωδίων με οπτικές ζεύξεις (ασύρματες ή με οπτικές ίνες) στο άμεσο μέλλον. Σημειωτέον, οι ασύρματες ζεύξεις επιτρέπουν τροποποίηση των συνδέσεων μεταξύ των ολοκληρωμένων κυκλωμάτων. Ωστόσο, οι οπτικές ζεύξεις είναι ακόμα ακριβές και δεν είναι ξεκάθαρο για ποια ταχύτητα μετάδοσης θα συνέφερε η αντικατάσταση των χάλκινων καλωδίων με οπτικές ζεύξεις. Πιστεύεται πάντως ότι η ευρεία χρήση οπτικών πομπών και δεκτών θα προκαλέσει μείωση της τιμής των οπτοηλεκτρονικών διατάξεων. Πηγή: IEEE Spectrum, Aug. 2002, p. 32.

56 Οπτικές συνδέσεις σε Η/Υ ΙΙ
Ενσύρματη μετάδοση Το σχήμα δείχνει μια πρωτότυπη οπτική ζεύξη μεταξύ δύο πλακετών που χρησιμοποιούνται στον υπολογιστή ενός αεροπλάνου. Το κύκλωμα υλοποιήθηκε στα εργαστήρια της Daimler-Chrysler στο Ulm της Γερμανίας και λειτουργεί με ρυθμό σηματοδοσίας 1 Gb/s. Η διαμορφωμένη οπτική δέσμη ενός laser που βρίσκεται στη μια πλακέτα στέλνεται δια μέσου ενός συστήματος φακών, ενός πλαστικού κυματοδηγού και δυο καθρεφτών σε μια φωτοδίοδο στην κάτω πλακέτα.

57 Οπτικές συνδέσεις σε Η/Υ ΙΙI
Ασύρματη μετάδοση Το σχήμα δείχνει μια πρωτότυπη οπτική ζεύξη 256 καναλιών μεταξύ δύο ολοκληρωμένων κυκλωμάτων CMOS. Το κύκλωμα υλοποιήθηκε στο Πανεπιστήμιο του San Diego. Χρησιμοποιεί μια συστοιχία από 256 lasers κάθετης κοιλότητας επιφανειακής εκπομπής (VCSELs), που είναι τοποθετημένα πάνω στο ένα ολοκληρωμένο, και που το καθένα εκπέμπει διαμορφωμένο φως με ρυθμό σηματοδοσίας 1 Gb/s σε διαφορετική φέρουσα συχνότητα. Το φως κατευθύνεται σε μια συστοιχία φωτοδιόδων που βρίσκεται στο άλλο ολοκληρωμένο δια μέσου ενός συστήματος φακών, φραγμάτων περίθλασης και ενός καθρέφτη.

58 Οπτικές Τηλεπικοινωνίες
Ένα λαμπρό μέλλον

59 Μεσοπρόθεσμη έρευνα Υψίρρυθμη μετάδοση σε μεγάλες αποστάσεις:
> 40 Gb/s ανά οπτικό κανάλι ~10 Tb/s ανά οπτική ίνα ~10000 km Αμιγώς οπτικά δίκτυα (μεταγωγής κυκλωμάτων, πακέτων) Οπτικά ολοκληρωμένα κυκλώματα Μονολιθικά (νανοτεχνολογία, φωτονικοί κρύσταλλοι) Υβριδικά (μικρο-ελεκτρο-μηχανικά συστήματα) Νέα υλικά (π.χ. Οργανικοί ημιαγωγοί, πολυμερή πλαστικά)

60 Ιδέες για μακροπρόθεσμη έρευνα
Κβαντικές τηλεπικοινωνίες & κρυπτογραφία (τηλεμεταφορά) Χαοτικές τηλεπικοινωνίες Καινούριες εφαρμογές, απαιτητικές σε εύρος ζώνης ... και σίγουρα, κάτι εντελώς αναπάντεχο που δεν το έχει σκεφθεί (;) ακόμη κανένας!

61 Ασύρματες Επικοινωνίες

62 Παρελθόν

63 Ευρεία χρήση ασύρματου τηλέγραφου κατά τον πρώτο παγκόσμιο πόλεμο Ραδιοφωνικές Εκπομπές Πλοήγηση Αεροσκαφών με χρήση ραδιοβοηθημάτων (μετα το 1920) Διαμόρφωση FM (Frequency Modulation) το 1935 Ευρεία χρήση ασύρματων από αστυνομίες αμερικάνικών πόλεων (μετά το 1930)

64 Ασύρματη Τηλεφωνία 0ης Γενιάς
Πρώτη λειτουργία συστήματος το 1946, στις Η.Π.Α Frequency Modulation, κανάλι 120 KHz Αρχικά Push-to-Talk, αργότερα Full-Duplex Τοπολογία Δικτύου: Μια πολύ μεγάλη κεραία για κάθε μεγάλη αμερικανική πόλη Πρόβλημα: περιορισμένος αριθμός καναλιών Πολύ γρήγορα τα συστήματα κορέστηκαν

65 Παρόν (~ )

66 Κυψελωτή Τοπολογία

67 Δίκτυο Σταθερής Τηλεφωνίας
Κυψελωτά Δίκτυα Β Α Δίκτυο Σταθερής Τηλεφωνίας Οι χρήστες επικοινωνούν αποκλειστικά με τους σταθμούς βάσης Τα κινητά τηλέφωνα έχουν περιορισμένες αρμοδιότητες και δυνατότητες

68 Ασύρματη Τηλεφωνία 1ης Γενιάς
Κυψελωτή Τοπολογία Αναλογική διαμόρφωση FM Μερικά συστήματα: NTT Cellular, Japan, 1979 Advanced Mobile Phone System (AMPS), USA, 1983 European Total Access Cellular System (ETACS), Ευρώπη, 1985

69 Ασύρματη Τηλεφωνία 2ης Γενιάς (2G)
Ψηφιακή Μετάδοση GSM: Global System for Mobile Commun. Πανευρωπαϊκό standard, Time Division Multiple Access (TDMA) IS-95 Αμερικανικό standard, βασισμένο σε τεχνολογία Code Division Multiple Access (CDMA) Qualcomm Pacific Digital Cellular (PDC) Ιαπωνικό standard, TDMA IS-136 Αμερικανικό standard, TDMA

70 Ασύρματη Τηλεφωνία Γενιάς 2.5G
High Speed Circuit Switched Data (HSCSD) για το GSM. Κάθε χρήστης λαμβάνει πολλαπλές οπές (slots) General Packet Radio Service (GPRS) για τα GSM, IS-136 Μεταγωγή Πακέτου όπως στο Internet! Enhanced Data rates for GSM Evolution (EDGE) για τα GSM, IS-136 Πολλαπλές οπές και προσαρμογή στο κανάλι IS-95B για το IS-95 Κάθε χρήστης λαμβάνει πολλαπλούς κώδικες

71 Κυψελοειδής Τηλεφωνία Γενιάς 3G
3G W-CDMA (UMTS) Μετεξέλιξη του GSM, αλλά βασισμένο σε Wideband CDMA και μεταγωγή πακέτου. Ευρωπαϊκό standard 3G cdma2000 Μετεξέλιξη του ISM-95, αμερικανικό standard 3G TD-SCDMA Κινεζικό standard, βασισμένο στο GSM

72 Τηλέφωνα χωρίς καλώδιο (Cordless phones)
Η πρώτη γενιά απλώς αντικαθιστούσε το καλώδιο με ένα ασύρματο κανάλι. Οι δέκτες και πομποί που απαιτούνται είναι πολύ απλοί Spread Spectrum, για αντιμετώπιση παρεμβολών

73 Δορυφορικές Επικοινωνίες με Γεωστατικούς Δορυφόρους

74 Δορυφορικές Επικοινωνίες με Δορυφόρους Χαμηλής Τροχιάς (Low Earth Orbit – LEO)

75 Δορυφορικές Επικοινωνίες με Δορυφόρους Χαμηλής Τροχιάς (Low Earth Orbit – LEO)
Μερικές εταιρίες: Iridium: έτος λειτουργίας 1998, 66 δορυφόροι που επικοινωνούν μεταξύ τους Globalstar: έτος λειτουργίας 1998, 40 δορυφόροι που επικοινωνούν με σταθμούς βάσης Και οι δύο εταιρείες δεν έχουν κέρδη

76 Ασύρματα Τοπικά Δίκτυα (Wireless Local Area Networks)
Δύο standard: IEEE {a,b,g,h,I,e} HiperLAN {1,2}

77 Ασύρματος Τοπικός Βρόχος (Wireless Local Loop)
Το πιο κοινό standard: Local Multipoint Distribution Service (LMDS)

78 Μέλλον (~ )

79 Κυψελοειδής Τηλεφωνία Γενιάς 4G (και βάλε)
Στην κινητή τηλεφωνία τέταρτης γενιάς οι χρήστες θα μπορούν να μιλούν απευθείας μεταξύ τους Β Στην κινητή τηλεφωνία τέταρτης γενιάς ο Β θα προωθεί τα δεδομένα του Α Με την παρούσα τεχνολογία, ο χρήστης Α είναι εκτός δικτύου Με την παρούσα τεχνολογία, οι χρήστες επικοινωνούν αποκλειστικά με το σταθμό βάσης Α

80 Ασύρματα Αδόμητα Δίκτυα (Wireless Ad Hoc Networks)
Β Α Δίκτυο Σταθερής Τηλεφωνίας Οι χρήστες δημιουργούν ένα εξ ολοκλήρου ασύρματο δίκτυο. Οι χρήστες έχουν πλέον αυξημένες δυνατότητες και αρμοδιότητες.

81 Ασύρματα Δίκτυα Αισθητήρων (Wireless Sensor Networks)
SINK Internet, Satellite, UAV SINK Task Manager

82 Τεχνολογία Αισθητήρων

83 Εφαρμογές Στρατιωτικές Εφαρμογές Περιβαλλοντικές εφαρμογές
Παρακολούθηση πεδίου μάχης Έλεγχος για τυχόν πυρηνική, βιολογική ή χημική επίθεση Περιβαλλοντικές εφαρμογές Ανίχνευση υπερχείλισης σε ποτάμια Ανίχνευση επικίνδυνων χημικών ουσιών Ανίχνευση φωτιάς Εφαρμογές σε κτίρια Ασφάλεια Έλεγχος κλιματισμού Δίκτυο επιταχυνσιόμετρων μπορεί να καταγράψει τον τρόπο κατάρρευσης κτιρίων

84 Vehicular Ad Hoc Networks (VANETs)

85 Εφαρμογές Αυτόματη ανταλλαγή πληροφοριών σχετικών με ασφάλεια
Απότομο φρενάρισμα, ολισθηρό οδόστρωμα Μετάδοση πληροφοριών χρήσιμων στον οδηγό Μποτιλιάρισμα μπροστά Έργα στο οδόστρωμα μπροστά Δελτία καιρού software upgrades, κοκ. Πρόσβαση στο Internet (“Infotainment”) Μετάδοση Διαφημίσεων «McDonalds στα δεξιά»

86 Τυπική Εφαρμογή A B C D Το αυτοκίνητο Α εντοπίζει ενδεχόμενη πηγή κινδύνου και τη μεταδίδει στο αυτοκίνητο Β (χωρίς παρέμβαση του οδηγού) Το αυτοκίνητο Β δεν μπορεί να μεταδώσει απευθείας στα αυτοκίνητα C και D, και χρησιμοποιεί τα αυτοκίνητα Που κινούνται στην αντίθετη λωρίδα κυκλοφορίας

87 Ασύρματα πλεγματικά (?) δίκτυα (Wireless Mesh Networks)
INTERNET