CASOPIS REPUBLICKE AGENCIJE ZA TELEKOMUNIKACIJE

SADRŽAJ

U radu je predstavljen simulacioni model fizičkog sloja bidirekcione simetrične pasivne Eternet optičke mreže protoka 10 Gb/s, prema standardu IEEE 802.3av. Rezultati simulacije su pokazali da su ovakve mreže pogodne za realizaciju pristupne infrastrukture i u izrazito ruralnim sredinama, pod uslovom da se izvrši pravilno kompenzovanje promenljivog kašnjenja.

1. UVOD

Pasivne optičke telekomunikacione mreže (PON) u poslednje vreme privlače značajnu pažnju istraživača, telekomunikacionih operatora i proizvođača opreme. Opravdano je očekivati da će ove mreže u bliskoj budućnosti predstavljati tehnološki i troškovno efikasno rešenje za unapređenje postojećih i izgradnju novih kapaciteta u pristupnom segmentu telekomunikacione infrastrukture.

Standardizacija PON odvija se u dva smera. Međunarodna unija za telekomunikacije (ITU) radi na standardima za tzv. GPON mreže (Gigabit Passive Optical Network), dok su aktivnosti organizacije IEEE usmerene ka PON mrežama koje koriste Eternet tehnologiju, tzv. EPON.

Standardom IEEE 802.3av [1], koji je usvojen septembra 2009. godine, opisane su EPON mreže koje nude protok od 10 Gb/s. Predmet ovog rada je opis modela i simulacija performansi fizičkog sloja ovakve mreže.

2. OPIS MODELA

Model mreže formiran je u programskom paketu VPItransmissionMaker 8.3 [2]. Pretpostavljena topologija prikazana je na Slici 1.

Slika 1. Topologija mreže

Mreža se sastoji od optičkog linijskog terminala (OLT), smeštenog u mrežnom centru operatora, sistema prenosa (optički kablovi), distributivne podstanice i optičkih mrežnih jedinica (ONU), na strani korisnika. Mreža je bidirekciona, pri čemu se koriste različite talasne dužine za komunikaciju u smeru naniže, od OLT terminala ka ONU jedinicama (downlink) i u smeru naviše, od ONU jedinica ka OLT terminalu (uplink).

Pri formiranju pojedinih elemenata mreže, u najvećoj mogućoj meri korišćeni su predefinisani blokovi iz biblioteka komponenti.

Pretpostavljena struktura optičkog linijskog terminala prikazana je na Slici 2.

Slika 2. Struktura OLT terminala

OLT terminal sastoji se od predajnog i prijemnog dela. Eternet predajnik je modeliran kao laser, eksterno modulisan pseudoslučajnom povorkom NRZ bita, koji su uobličeni Gausovim filtrom. Pošto je imperativ niska cena mreže, nosilac za downlink se ne generiše na strani korisnika (u ONU jedinicama), već na strani mreže, u OLT terminalu i distribuira korisnicima po principu WDM (wavelength-division multiplexing). Frekvencijska nestabilnost nosioca modelirana je uvođenjem parazitne frekvencijske modulacije.

U prijemnom delu OLT terminala vrši se obrada signala (filtriranje, detekcija, pojačanje, ekstrakcija takta i uspostavljanje sinhronizacije), formira dijagram oka i procenjuje verovatnoća greške.

Struktura ONU jedinice prikazana je na Slici 3. Multiplekser po talasnim dužinama razdvaja tok korisnih podataka na downlink-u od nosioca za uplink. Na izlazu prijemnika se posmatra dijagram oka demodulisanog signala.

Slika 3. Struktura ONU jedinice

U distributivnoj podstanici nalazi se pasivni optički čvor koji objedinjuje sabirač i razdelnik snage koji su realizovani pomoću simetričnih 3 dB sprežnjaka sa dva ulaza i dva izlaza ( Slika 4).

Slika 4. Realizacija razdelnika (levo) i sabirača snage (desno)

Multiplekser i demultiplekser po talasnim dužinama realizovani su korišćenjem Gausovih filtara, što je prikazano na Slici 5.

Slika 5. Realizacija multipleksera (levo) i demultipleksera po talasnim dužinama (desno)

3. SIMULACIONI SCENARIO

Vrednosti parametara u opisanom simulacionom modelu određene su prema smernicama standarda IEEE 802.3av i pripadajućim tumačenjima Radne grupe IEEE 802.3av 10G-EPON [3].

Za komunikaciju u smeru naniže (downlink), koristi se talasna dužina 1590 nm, dok se za komunikaciju u smeru naviše (uplink) koristi talasna dužina 1270 nm. Primenjeno je zaštitno kodiranje kodnog količnika 64/66, pa je protok na fizičkom sloju 10,3125 Gb/s, dok je korisni protok 10 Gb/s u oba smera. Snaga lasera za downlink iznosi 2 mW, a za uplink 5 mW. Širina spektralne linije je 10 MHz. Parazitna frekvencijska modulacija nosioca za uplink izvedena je tako da maksimalna devijacija frekvencije iznosi 1 GHz, uz frekvenciju prostoperiodičnog modulišućeg signala 100 MHz i njegovu amplitudu 0,5. Primetimo da je ovo prilično nepovoljan slučaj, jer indeks modulacije iznosi 10, pa se značajan deo snage gubi na neželjene bočne komponente. Prijemnici su sa PIN fotodiodama, čija responsivnost iznosi 0,9 A/W, a struja mraka je 0,1 nA. Dobitak ulaznog stepena prijemnika u FET tehnologiji je 30 dB, a izlaznog stepena 10 dB.

Parametri optičkog vlakna odabrani su prema kataloškim podacima za Corning SMF-28e+^TM [4]. Ovo vlakno odgovara preporuci ITU-T G.652 i u inženjerskoj praksi predstavlja popularno rešenje za FTTH pristup.

Uticaj nelinearnosti u vlaknu modeliran je uvođenjem dodatnog slabljenja („penala snage”) od 2 dB [5], koje je obračunato na ulazima ONU jedinica i OLT terminala.

Cilj simulacije je ispitivanje performansi fizičkog sloja kada se opisana EPON mreža koristi kao mreža za pristup, pod sledećim scenarijima primene:

• scenario 1 (urbana sredina) – dužina vlakna od OLT terminala do podstanice iznosi 5 km; dužina vlakna od podstanice do ONU jedinice iznosi 1 km;
• scenario 2 (suburbana sredina) – dužina vlakna od OLT terminala do podstanice iznosi 10 km;
• varijanta 2a – dužina vlakna od podstanice do ONU jedinice iznosi 1 km
• varijanta 2b – dužina vlakna od podstanice do ONU jedinice iznosi 2 km
• scenario 3 (ruralna sredina) – dužina vlakna od OLT terminala do podstanice iznosi 15 km;
• varijanta 3a – dužina vlakna od podstanice do ONU jedinice iznosi 1 km
• varijanta 3b – dužina vlakna od podstanice do ONU jedinice iznosi 2 km
• varijanta 3c – dužina vlakna od podstanice do ONU jedinice iznosi 5 km.

Najveću poteškoću predstavljalo je određivanje potrebne vrednosti kašnjenja u prijemniku OLT terminala koje je neophodno da bi se ostvario sinhronizam u sistemu. Ova vrednost zavisi od pretpostavljene dužine optičkih linkova i određena je nizom pokušaja.

4. REZULTATI

Numerički rezultati simulacije prikazani su u Tabeli 1.

Tabela 1. Verovatnoća greške na uplink-u

Grafički rezultati za najbolji slučaj (scenario 1) prikazani su na Slici 6, a za najgori (scenario 3c) na Slici 7.

Slika 6. Rezultati simulacije za scenario 1: dijagrami oka na ulazu u ONU jedinicu (levo) i ulazu u OLT terminal (desno)

Slika 7. Rezultati simulacije za scenario 3c: dijagrami oka na ulazu u ONU jedinicu (gore levo) i ulazu u OLT terminal (gore desno) i spektar signala na ulazu u OLT terminal (dole)

Iz ovih rezultata se vidi da je posmatrana konfiguracija u svim scenarijima primene pokazala zadovoljavajuće performanse. Verovatnoća greške na fizičkom sloju uvek je bila ispod 10^–9, pri čemu i u najnepovoljnijem slučaju u sistemu postoji rezerva. Ova rezerva postaje još značajnija kada se u obzir uzme i zaštitno kodiranje, pa je moguće jednostavno proširivanje mreže.

Iz dijagrama oka se vidi da je degradacija signala izazvana slabljenjem, delovanjem šuma i intersimbolske interferencije (disperzijom), što je naročito izraženo na uplink-u. Zbog malih snaga signala, nelinearni efekti u vlaknu nisu se značajnije ispoljavali.

Problem koji je uočen pri simulaciji i na koji bi trebalo obratiti pažnju pri projektovanju i eksploataciji ovih mreža je sinhronizacija prijemnika u OLT terminalu. Zbog različitih rastojanja od pojedinih ONU jedinica do distributivne podstanice, njihovi signali će trpeti različita kašnjenja, koja se moraju kompenzovati pre „raspakivanja“ Eternet okvira.

Zahvalnica

Autor se zahvaljuje docentu dr Milanu Jankoviću na korisnim sugestijama pri definisanju simulacionog scenarija.

Literatura

[1] IEEE Std. 802.3av-2009, IEEE Standard for Information technology– Telecommunications and information exchange between systems– Local and metropolitan area networks– Specific requirements Part 3: (CSMA/CD) Access Method and Physical Layer Specifications Amendment 1: Physical Layer Specifications and Management Parameters for 10Gb/s Passive Optical Networks, October 2009.

[2] VPItransmissionMaker­^TM/VPIcomponentMaker­^TM User’s Manual, VPIsystems Incorporated, 2009.

[3] Channel Link Model for IEEE 802.3av, V 2.3, IEEE P802.3av, 10GEPON Task Force, April 2008.

[4] Corning^® SMF-28e+^TM Optical Fiber with NexCor^® Technology Product Information, Corning Incorporated, August 2009.

[5] Andrew R. Chraplyvy: “Limitations on Lightwave Communications Imposed by Optical-Fiber Nonlinearities”, Journal of Lightwave Technology, Vol. 8, No. 10, October 1990, pp. 1548-1557.

Autor

Milan Bjelica je diplomirao 2000. godine, magistrirao 2003. i doktorirao 2009. godine na Elektrotehničkom fakultetu u Beogradu, gde je i zaposlen. Bavi se telekomunikacionim mrežama i sistemima. Autor je i koautor više naučnih i stručnih radova, kao i univerzitetskih udžbenika.