• English
  • MAPA
  • PRETRAGA
  • PRISTUPANJE SISTEMU

CASOPIS REPUBLICKE AGENCIJE ZA TELEKOMUNIKACIJE

  • Aktuelni broj
  • Programske oblasti
  • Za autore
  • Radovi
  • Izdvajamo
  • O časopisu
  • Arhiva brojeva

Arhiva brojeva

  • PRVI BROJ
  • DRUGI BROJ
    • mr B. MAKAROVIČ: EU Regulatory Package Review and NGN in Regulatory Practice: The Case of Slovenia (kopija)
    • dr M. KOVAČEVIĆ: Pregled aktuelnih tehnologija za mobilne i širokopojasne bežične komunikacije (kopija)
    • prof. dr D. GVOZDIĆ: Trendovi razvoja optičkih telekomunikacionih sistema (kopija)
    • mr D. PARUN: Vip mobile na tržištu mobilne telefonije u Srbiji (kopija)
    • mr S. BOŠTJANČIČ RAKAS, dr M. STOJANOVIĆ, prof. dr N. GOSPIĆ: Automatizacija upravljanja IP mrežama (kopija)
    • mr K. HUSEINOVIĆ: (Ne)uvažavanje principa nezavisnosti u funkcionisanju regulatornih tijela u zemljama u okruženju (kopija)
    • S. PAVLOVIĆ: Tehnički uslovi i tehnička rešenja za realizaciju pasivne telekomunikacione infrastrukture u građevinskim objektima (kopija)
  • TREĆI BROJ
  • ČETVRTI BROJ
  • PETI BROJ
  • ŠESTI BROJ
  • SEDMI BROJ
  • OSMI BROJ
  • DEVETI BROJ
  • DESETI BROJ
  • Pravno obaveštenje
  • Kontakt
  • Vesti
  • NARUČI ME
  • KAKO POSTATI SARADNIK

    Srpski / Arhiva brojeva / DRUGI BROJ / prof. dr D. GVOZDIĆ: Trendovi razvoja optičkih telekomunikacionih sistema (kopija)

    bigger font smaller font Print

    Trendovi razvoja optičkih telekomunikacionih sistema

    Dejan M. Gvozdić

    SADRŽAJ

    Rad razmatra nove pravce razvoja i istraživanja u oblasti optičkih telekomunikacionih sistema u narednih nekoliko godina. Prvi deo rada posvećen je problemima povećanja informacionog kapaciteta transportnih optičkih mreža, koje moraju da zadovolje sve veće zahteve pristupnih mreža i obezbede dovoljan kapacitet za buduće potencijalne servise. Ključnim elementima ovog razvoja smatraju se napredni modulacioni formati, ultra-brza elektronska kola koja obezbeđuju korekciju grešaka primenom signal-procesora i podsistemi sve-optičkog rutiranja. U drugom delu rada analiziran je razvoj budućih pristupnih mreža, kod kojih je pojavom multimedijalnih servisa i tehnologija došlo do naglog porasta informacionog apetita. U ovom slučaju razmatra se pristupna mreža bazirana na optičkom vlaknu do korisnika (FTTx). FTTx tehnologiju danas najbolje reprezentuje pasivna optička mreža (PON) sa multipleksiranjem u vremenu (TDMA-PON), dok se kao rešenje sutrašnjice nazire PON sa multipleksiranjem po talasnim dužinama (WDMA-PON).

    1. UVOD

    Poslednjih godina, razvoj i modernizaciju telekomunikacionih sistema i mreža u velikoj meri određuju paketski-orijentisani servisi, pre svega internet, ali i druge primene koje prate ovaj tip komunikacija. Razvijena telekomunikaciona infrastruktura predstavlja osnovu svih jakih, tržišno i tehnološki orijentisanih ekonomija, baziranih na proizvodnji i distribuciji znanja i informacija. Zbog toga je u mnogim zemljama zapadne Evrope, kao i u Severnoj Americi, Japanu i Južnoj Koreji, došlo do naglog proširenja informacionog kapaciteta telekomunikacionih mreža, zbog čega su ove mreže u velikoj meri poprimile širokopojasni karakter. U pogledu informacionog kapaciteta, telekomunikacionu mrežu sačinjavaju transportni deo, kroz koji se ostvaruje veliki bitski protok i prenos informacija na velika rastojanja (long-haul mreža, koja kao svoj niži nivo obuhvata široko-oblasnu (WAN) mrežu i regionalnu, odnosno gradsku (MAN) mrežu) i pristupni deo, kroz koji se ostvaruje protok nižeg intenziteta na relativno kratkim rastojanjima i do krajnjeg korisnika.

    Iako su transportna i pristupna mreža delovi jedinstvenog sistema, zbog njihovih specifičnosti i razlika moguće ih je razmatrati nezavisno. Zbog toga će u prvom delu teksta biti reči o optičkoj transportnoj mreži i istraživačkim naporima koji se ulažu sa ciljem da se njen informacioni kapacitet podigne za jedan do nekoliko redova veličine. Pristupne mreže i problematika vezana za njih će biti razmotrena u drugom delu ovog teksta.

    2. OPTIČKE TRANSPORTNE MREŽE

    U ovom trenutku se nešto više od 80% telekomunikacionog saobraćaja u transportnoj mreži realizuje putem optičkih vlakana [1]. Dominantan standard optičkog prenosa u svetu je SDH/SONET. Ovaj metod prenosa se već godinama koristi na telekomunikacionom tržištu. U početku je bio namenjen prenosu glasa (telecom), a danas se u velikoj meri koristi i za prenos podataka (datacom). Sve doskoro, najveći bitski protok po jednom kanalu ostvaren u transportnoj mreži bio je STM-64 (OC-192), što odgovara protoku od 10 Gb/s. Danas operatori počinju da uvode STM-256 (OC-768), što odgovara protoku od 40 Gb/s. Međutim, sledeće generacije optičkih mreža neće biti konekciono, već beskonekciono orijentisane. Nagoveštaj takvih tehnologija, koje su paketski orijentisane, predstavlja vrlo prisutan 10-gigabitni Ethernet, koji u principu ne obezbeđuje potpunu međuoperativnost sa SDH. Tačnije, mreže nove generacije baziraće se na Internet protokolu i kroz tako unificiranu mrežnu platformu podržavati prenos glasa, podataka i video signala. Iako je Ethernet tradicionalno tehnologija lokalnih mreža (LAN-ova), njegov permanentni razvoj doveo je do penetracije Etherneta u regionalne i gradske mreže (MAN), dok su poslednja istraživanja i potreba za standardizacijom doveli do razvoja 100-gigabitnog Etherneta [2], koji bi u bliskoj budućnosti mogao da postane tehnologija izbora i ozbiljan konkurent ostalim tehnologijama koje se primenjuju u transportnom delu mreže (Slika 1.).

    Iako je pitanje standarda od značaja za efikasnost, kvalitet i pouzdanost prenosa, brzina prenosa signala duž jednog optičkog kanala limitirana je brzinom rada elektronskih komponenti koje se primenjuju u optičkim predajnicima i prijemnicima. Međutim, tehnika multipleksiranja po talasnim dužinama (WDM) omogućila je da se jednim vlaknom prenosi od nekoliko do nekoliko desetina ili stotina kanala, svaki od njih na različitoj talasnoj dužini. Postojeći WDM sistemi već neko duže vreme koriste i do 80 kanala. Poslednjih godina, pojavili su se sistemi koji podržavaju prošireni spektar talasnih dužina, koji obuhvata do 192 talasne dužine [3-5]. Primenom standardnih sistema koji obezbeđuju bitske protoke od 10 Gb/s po kanalu (talasnoj dužini) omogućena je brzina prenosa signala čiji red veličine dostiže ili prevazilazi 1 Tb/s. Pri tome se ovakav prenos može ostvariti na rastojanjima koja prevazilaze nekoliko hiljada kilometara, što ukazuje na izuzetno veliki proizvod bitskog protoka (B) i rastojanja (L). Rekordna vrednost ovog proizvoda je B×L=36 Pb×km/s, [6] što je za nekoliko redova veličine veće od onoga što nudi bilo koja druga tehnologija danas. Ipak, čini se da sve ovo što nude današnji optičko-komunikacioni sistemi neće biti u stanju da zadovolji apetite budućih transportnih mreža.

    Slika 1. Migracija Etherneta iz LAN-a u Metro i transportnu mrežu

    Nova generacija optičkih transportnih mreža [7], koja bi trebalo da zaživi u sledećoj dekadi (oko 2015. godine), imala bi dve osnovne karakteristike:

    1)značajan ukupan informacioni kapacitet po jednom vlaknu i

    2)sposobnost i fleksibilnost u rekonfiguraciji mreže, kao odziv na potrebe pojedinih servisa.

    Ukupan informacioni kapacitet linka je tradicionalno jedna od najbitnijih karakteristika optičkih mreža, jer u osnovi određuje kvantitet prenesenih informacija i kvalitet servisa. Rekonfigurabilnost mreže je takođe važna karakteristika, ali ona sama po sebi nije dovoljna da nadomesti smanjen kapacitet linka. Povećanje informacionog kapaciteta se ostvaruje putem 3 fundamentalna parametra (Slika 2.) i to [8]:

    A.optičkim propusnim opsegom (opsegom talasnih dužina koje se simultano mogu pojačavati i prostirati kroz optičko vlakno),

    B.gustinom kanala (broj talasnih dužina u WDM sistemu), i

    C.bitskim protokom po kanalu (po talasnoj dužini).

    Slika 2. Kapacitet optičkih mreža u zavisnosti od fundamentalnih parametara: propusnog opsega, gustine kanala i bitskog protoka

    Sa aspekta današnjeg tehnološkog razvoja, čini se da je povećanje bitskog protoka po jednom kanalu (tačka pod C), najperspektivniji način za povećanje informacionog kapaciteta vlakna. U delu teksta koji sledi biće bliže objašnjeno o kakvim se bitskim protocima radi, kakvi se fizički problemi javljaju u realizaciji ovih sistema i kako se oni delom rešavaju. Nakon toga, biće reči o nekoliko eksperimenata koji demonstriraju nove pristupe u rekordnom povećanju ukupnog protoka i protoka po jednom kanalu.

    Poslednjih godina postala su dostupna elektronska kola koja podržavaju rad na 40 Gb/s i time podstakla interesovanje za razvoj SDH/SONET sistema koji svoj rad na jednom kanalu baziraju na ovom bitskom protoku. Pojedini operatori u Evropi, kao što su „British Telecom“ i „Deutsche Telecom“, već su započeli instaliranje ovakve opreme u okviru svojih transportnih SDH mreža. U SAD su kompanije „Verizon“, „Xtera“ i „Mintera“ udružile snage i realizovale sistem Ultra Long Haul, koji je omogućio uspešan test na „Verizonovom“ metro prstenu u Dalasu, pri protoku od 40 Gb/s, na rekordnom rastojanju od 3040 km [9]. Prethodno je sam „Verizon“ demonstrirao ovu tehnologiju na metro prstenu San Hozea, kao i na rastojanju od 1200 km između Sakramenta i Solt Lejk Sitija . Sa stanovišta IP mreža i standarda, mnogo je interesantnija činjenica da se bitski protok po kanalu može podići sa 10 Gb/s na 100 Gb/s [2]. Naravno, u tom slučaju, svi problemi koji su prisutni na 40 Gb/s postaju izraženiji i komplikovaniji za kompenzaciju, ali su eksperimenti pokazali da se protok od 100 Gb/s može uspešno ostvariti na rastojanjima od nekoliko stotina kilometara. Ovi eksperimenti predstavljaju nagoveštaj nove generacije optičkih mreža.

    Klasični modulacioni formati kao što su NRZ i RZ zasnovani na OOK (On-Off Keying) nisu u stanju da sa dovoljno malom verovatnoćom greške prenesu optičke signale pri bitskim protocima većim od 10 Gb/s [6-8]. Naime, pri protoku od 10 Gb/s dominantan problem je hromatska disperzija koja se disperziono-kompenzacionim (DC) modulima može u velikoj meri anulirati (Slika 3.). Međutim, pri većim protocima (40 Gb/s i više), dolazi do veoma izraženih nelinearnih efekta, kao što su unutarkanalna unakrsno-fazna modulacija (IXPM) i unutarkanalno četvorotalasno mešanje (IFWM) [6]. Pomenuti fenomeni u velikoj meri komplikuju prenos, ali se određenim tehnikama mogu kompenzovati. Nelinearni efekti u suštini dobijaju na značaju zbog delovanja hromatske disperzije na svakoj od deonica (tj. bez obzira na kompenzaciju DC modulima), ali i usled uskog vremenskog intervala između susednih bitova. Zbog različite brzine prostiranja koja se javlja usled hromatske disperzije, pojedine spektralne komponente susednih bitova stupaju u interakciju. Reč je obično o „sporim“ komponentama posmatranog bita i „brzim“ komponentama prvog sledećeg bita. Interakcija koja nastaje između njih realizuje se preko Kerr-ove nelinearnosti i dovodi do IXPMa i IFWMa i time do degradacije signala.

    Slika 3. Kompenzacija hromatske disperzije standardnog monomodnog vlakna primenom disperziono-kompenzacionih modula sa optičkim EDFA pojačavačima u čvorovima linka

    Pomenuti efekti koji dovode do degradacije se u velikoj meri mogu potisnuti kombinovanjem tehnike fazne modulacije sa OOK [6-11]. Na taj način dolazi se do niza modulacionih formata koji u većoj ili manjoj meri mogu da kompenzuju ove nelinarne efekte. Modulacioni formati koji su poslednjih godina privukli značajnu pažnju su: CRZ (Chirped Return-to-Zero), CSRZ (Carrier-Suppressed Return to Zero), ACRZ (Alternate-Chirp Return-to-Zero), AMI (Alternate Mark Inversion), DPSK (Diferential Phase Shift Keying), APRZ (Alternate-Phase Return-to-Zero), PAPRZ (Pairwise-Alternate-Phase Return-to-Zero), APM (Asynchronous Phase Modulation) i slično. U eksperimentu u kome je postigao rekordnu distancu prenosa na 40 Gb/s, „Verizon“ je koristio RZ-DPSK i CSRZ modulacione formate [9]. Osim toga, pojavili su se novi optički višenivoski modulacioni sistemi [7] koji koriste M-DPSK (Multilevel-DPSK) i M-QAM (Multilevel-QAM) tehnike, koje u suštini u fokus istraživanja ponovo dovode koherentne prijemnike optičkih signala.

    U septembru 2006. godine, korporacija NTT („Nippon Telegraph and Telephone“), sprovela je eksperiment u kome je postavljen novi svetski rekord u oblasti optičkih komunikacionih sistema [7]. U okviru ovog eksperimenta, postignut je rekordni ukupni protok od 14 Tb/s na rastojanju od 160 km, pri čemu je korišćeno 140 talasnih dužina kombinacijom sistema multiplekisranja po talasnim dužinama i po polarizaciji (WDM/PDM). Bitski protok po jednom kanalu iznosio je 111 Gb/s.

    Značaj ovakvog eksperimenta je u tome što je pokazao da je moguće podići bitski protok preko odskoro komercijalnih 40 Gb/s i već standardnih 10 Gb/s, na 100 Gb/s. Bitski protok od 111 Gb/s treba da omogući prenos 100-gigabitnog Etherneta, koji je postao ultimativni cilj standardizacije IEEE od 2006. Preostali bitski protok do 111 Gb/s bio bi korišćen za prenos bitova za korekciju greške putem metode FEC (Forward Error Correction). Na Slici 4. prikazan je optički spektar WDM/PDM signala koji je korišćen u eksperimentu, kao i demodulisani dijagram oka signala, nakon pređenog puta od 160 km kroz monomodno vlakno i prolaska kroz širokopojasni, fosforno i erbijumski dopirani optički pojačavač. Drugi značajan aspekt ovog eksperimenta je u tome što je demonstrirana mogućnost primene fazne modulacije i višenivoske modulacije, koje predstavljaju dobro utemeljene tehnologije digitalno-bežičnih sistema, a koje sa druge strane značajno povećavaju efikasnost kodiranja podataka. Generalno govoreći, primena naprednih modulacionih i demodulacionih tehnologija i digitalne obrade signala (DSP) je u ovom trenutku najperspektivniji način da se povećaju performanse optičke transportne mreže. Jedan od primera je diferencijalna kvadraturno fazna modulacija (DQPSK), koja je korišćena u pomenutom eksperimentu. Primena ove modulacije, koja predstavlja višenivosku modulacionu tehnologiju, omogućava povećanje osetljivosti prijemnika i smanjenje ulazne snage predajnika, kao i brzine bitskog protoka. Na Slici 5. prikazan je ultrabrzi DQPSK modulator koji se sastoji od Mah-Zenderovog (Mach-Zehnder) interferometra sa hibridnim LiNbO3 i planarnim optički integrisanim kolom na bazi SiO2, koje generiše DQPSK signale brzinom od 111 Gb/s.

    Slika 4. Optički spektar WDM/PDM signala na 14 Tb/s i demodulisani dijagram oka signala na 39 kanalu, nakon pređenog puta od 160 km kroz monomodno vlakno i prolaska kroz širokopojasni, fosforno i erbijumski dopirani optički pojačavač [7]

    Slika 5. Ultrabrzi DQPSK modulator na 111 Gb/s, koji sačinjavaju Маch-Zehnderov interferometar sa hibridnim LiNbO3 i silikonskim planiranim optički integrisanim kolom [7]

    Osim eksperimenata koji demonstriraju rekordne vrednosti ukupnog protoka, u literaturi je moguće naći rezultate koji prikazuju rekordne vrednosti bitskog protoka po jednom kanalu. Ovakvi tipovi eksperimenata se u suštini baziraju na multipleksiranju u vremenskom domenu (TDM). TDM se može realizovati kroz električno (ETDM) ili optičko multipleksiranje (OTDM). Prvi sistemi na 40 Gb/s bazirani na ETDM su odnedavno u komercijalnoj upotrebi, a prvi eksperimenti na 100 Gb/s koji koriste ETDM su realizovani u laboratorijama [2]. S druge strane, eksperimenti koji se baziraju na OTDM sa bitskim protokom od 100 Gb/s realizovani su još pre 15 godina (1993.), i to na rastojanju od 36 km [12]. Od tada, bitski protok i rastojanje su se povećavali iz godine u godinu i iz eksperimenta u eksperiment. U 2006. godini postignut je svetski rekord na bitskom protoku od 160 Gb/s i na rekordnom rastojanju od 4320 km [12], dok je na rastojanju od 160 km postignut rekordni bitski protok od 2,56 Tb/s [12]. Za OTDM tehnologiju se veruje da je prelazno rešenje, koje uglavnom služi za ispitivanja transmisije pri velikim bitskim protocima, a koje će biti zamenjeno ETDM-om onog momenta kada električna obrada signala pri potrebnim bitskim protocima postane dostupna. U tom pogledu se procenjuje da će ETDM pri bitskom protoku od 100 Gb/s biti dostupan za otprilike dve godine, a da će za nešto veće protoke, od 160 Gb/s, postati dostupan u bliskoj budućnosti. Međutim, sa aspektapretpostavke da će optičke mreže evoluirati u fotonske mreže, kroz koje će ultrabrzi optički signali biti obrađeni i prenošeni s kraja na kraj bez optičko-električno-optičke (OEO) konverzije, moguće je zaključiti da će se OTDM i dalje koristiti u optičkoj obradi signala i istraživanju maksimalnih performansi i kapaciteta prenosa signala unutar jednog kanala. U tom pogledu, fotonske mreže i primena OTDM-a predstavljaju daleku budućnost, dok ETDM predstavlja dominantan komercijalni transmisioni sistem u bliskoj budućnosti.

    Činjenica da internet saobraćaj svake godine nastavlja da se udvostručava, pre svega zbog sve većeg protoka u pristupnoj mreži, dovodi do zaključka da će u optičkoj mreži u 2015. godini biti potrebno obezbediti protok od 10 Tb/s po jednom vlaknu. To u suštini znači da će se protok desetostruko uvećati u odnosu na najpropulzivnije delove optičke mreže današnjice. Teorija procenjuje da informacioni kapacitet optičkog vlakna u transmisionom prozoru na 1,55 µm iznosi 50 Tb/s [7]. Do ove vrednosti se dolazi polazeći od spektralne širine prozora koja iznosi 25 THz (1450 nm-1650 nm) i pretpostavke da efikasnost kodiranja iznosi 2 b/Hz. Ako se pretpostavi standardni intenzitet signala, onda se pokazuje da bi ovakav ogroman protok doveo do katastrofalnog i permanentnog oštećenja vlakna koje se naziva „fiber fuse“.Tradicionalni optičko-komunikacioni sistemi koriste intenzitetsku modulaciju sa direktnom detekcijom, koja zahteva snagu od 1 mW po 1 Gb/s [7]. Za protok od 50 Tb/s potrebna optička snaga iznosi 50 W, što prevazilazi prag trajnog oštećenja vlakna koje iznosi 2 W. To znači da će za bitske protoke preko 1 Tb/s biti potrebno razvijanje tehnologija koje će biti u stanju da omoguće prenos signala sa smanjenom ulaznom snagom. Prvi primer ovakvih sistema su sistemi bazirani na naprednim modulacionim formatima. Osim toga, optička vlakna na bazi fotonskih kristala, koja imaju veoma dobre disperzione osobine, mogu da obezbede protok od 10 Tb/s.

    Pored ovoga, porast bitske brzine dovodi i do disperzije polarizacionog moda, koja se u suštini odnosi na širenje signala usled razlike u brzini prostiranja dve njegove ortogonalne polarizacione komponente [7]. Ova razlika nastaje usled anizotropije u indeksima prelamanja vlakna i pri tome ima statistički karakter. Dominantnu ulogu u kompenzaciji polarizacione disperzije imaju digitalni procesori signala, ali i razne vrste modulacionih tehnika koje se nalaze u fazi istraživanja.

    Osim povećanja bitskog protoka, nova generacija optičke mreže zahtevaće brzo uspostavljanje i raskidanje optičkih putanja koje odgovaraju pojedinim talasnim dužinama [7, 8]. U savremenim optičkim transportnim mrežama komutacija i međukonekcija na nivou talasnih dužina ostvaruju se OEO konverzijom. Ovaj metod konverzije je prilično skup i dovodi do porasta disipacije snage u sistemu. Iz tog razloga je potrebno eliminisati OEO konvertore i mrežu realizovati tako da bude „transparentna“ u svojim čvorovima, tako da se saobraćaj odvija sa kraja na kraj u optičkom domenu, bez konverzije u električni domen [7]. U ovako „transparentoj“ mreži, ključnu ulogu imaju međukonektori talasnih dužina (WXC), koji omogućavaju fleksibilnost i kompletnu kontrolu u uspostavljanju putanja u mreži, kao i dinamičku alokaciju propusnog opsega. Međutim, na putu realizacije ovakvih dinamički rutiranih mreža postoji niz problema koji se moraju razrešiti. Jedan od osnovnih zadataka u tom pogledu jeste rutiranje optičkih paketa. U ovom trenutku radi se na razvoju dve važne tehnologije koje bi trebalo da omoguće efikasno rutiranja paketa, a to su optička burst komutacija (OBS) i optička paketska komutacija (OPS) [13]. Jedan od osnovnih problema u njihovoj realizaciji je problem efikasnog memorisanja (baferisanja) signala u optičkom domenu i konverzije talasne dužine. Dodatan skup problema odnosi se na efikasne metode očitivanja zaglavlja paketa i njihove obrade.

    Obrada signala u optičkom domenu dovodi do vrlo značajnog polja istraživanja u oblasti optičkih komunikacija. U prvom redu, tu su problemi vezani za regeneraciju signala, koja podrazumeva pojačavanje, uobličavanje i vremensko podešavanje signala, takozvanu 3R regeneraciju [14]. Osim toga, tu se javlja zadatak optičkog multipleksiranja u vremenskom domenu i realizacije različitih prekidačkih kola koja između ostalog obavljaju optičke logičke operacije, pre svega operaciju XOR [15].

    3. OPTIČKE PRISTUPNE MREŽE

    Pojava i nagli razvoj novih širokopojasnih telekomunikacionih servisa doveli su do toga da se unapređenje pristupnog dela mreže javlja kao preka potreba. U cilju unapređenja ovog dela mreža, poslednjih godina razvijena su mnoga tehnološka rešenja (Slika. 6), među kojima su najznačajnija digitalna pretplatnička petlja (xDSL), hibridna fiber-koaksijalna tehnologija (HFC) i odskora FTTx tehnologija, koja se prevashodno zasniva na optičkim vlaknima koja se razvode do krajnjeg korisnika (Fiber to the x = H (home), B (building), C (curb))[7, 8, 17-19].

    FTTx je poslednjih godina predmet interesovanja mnogih operatora zbog niza prednosti koje pruža u odnosu na ostale tehnologije [17-19]:

    1.Povećanje prihoda: optičke pristupne mreže omogućavaju sve vrste servisa preko jedinstvene mreže. Primer takvog servisa je triple-play, koji obuhvata višestruke govorne kanale preko internet protokola, visok kvalitet usluge i veliki bitski protok, prenos podataka putem interneta brzinom i do 100 Mb/s po domaćinstvu i, konačno, prenos video zapisa putem internet protokola (IP-TV, televizija visoke rezolucije - HDTV, Video-on-Demand).

    2.Smanjenje troškova: kako je uvođenje FTTH/B poslednjih godina, posebno u Aziji, dovelo do velike proizvodnje opreme za FTTH, došlo je do pada cena ove opreme u svetu. U tom smilsu su tehnička rešenja za pristupne mreže bazirana na optičkim vlaknima postala široko dostupna i po ceni uporediva sa cenom bakarnih širokopojasnih mreža. Prema rezultatima evropskog projekta MUSE, tehnologija FTTH može značajno da smanji cenu uvođenja u odnosu na ostale tehnologije, ako je reč o gusto naseljenim urbanim oblastima.

    3.Rešenje potrebe za bitskim protokom: zahtev za porastom bitskog protoka u pristupnim mrežama je permanentan, jer se broj novih servisa i aplikacija svakodnevno uvećava. U tom smislu se kao primer obično navode HDTV, interaktivne igre, e-učenje, potreba za većim brojem računara u domaćinstvu, tako da se očekuje da će bitski protok u tom pogledu uskoro prevazići i 30 Mb/s.

    Tehnološka zrelost: pojava standardizovanih rešenja (FSAN, ITU G.983 i G.984, IEEE 802.3ah) drastično je smanjila cenu i kompleksnost optičkih pristupnih mreža.

    Slika 6. Zastupljenost pojedinih tehnoloških rešenja pristupne mreže u proteklom kratkoročnom periodu i očekivano prisustvo u narednom periodu

    U ovom trenutku postoji nekoliko različitih FTTx tehnologija. U prvom slučaju, reč je o arhitekturi koja počiva na takozvanoj ultimativnoj mreži, kod koje je svaki korisnik povezan sa centralom jednim optičkim vlaknom. Reč je o point-to-point arhitekturi, koja, i pored maksimalno velikog propusnog opsega, dovodi do prevelikih troškova instalacije, jer je vlakna potrebno razvući na rastojanjima od 10-20 km. Osim toga, prilično je komplikovano spajanje vlakana i postavljanje konektora u tako velikom broju, usled čega optička mreža postaje složenija od bakarne. U drugom slučaju, reč je o point-to-multipoint arhitekturi koja se bazira na jednom vlaknu koje informaciju dovodi blizu korisnika, nakon čega se iz jednog čvora veći broj vlakana razvodi do samog korisnika [18, 19]. Kada čvor čini aktivni Ethernet komutator (switch), reč je o aktivnoj optičkoj mreži (Active Optical Network, AON) [19]. U slučaju kada je komutator pasivan, reč je o pasivnoj optičkoj mreži (Passive Optical Network, PON) [19]. Velika prednost PON-a nad AON-om je činjenica da u slučaju PON-a na terenu ne mora da postoji nikakva aktivna oprema koja zahteva napajanje. PON se bazira na 4 šeme koje obezbeđuju pristup do krajnjeg korisnika [19]:

    1.TDMA-PON (Time Divison Multiple Access)

    2.WDMA-PON (Wavelength Divison Multiple Access)

    3.SCMA-PON (Subcarrier Divison Multiple Access)

    4.CDMA-PON (Code Divison Multiple Access)

    U ovom trenutku najpopularniji pristup bazira se na TDMA-PON-u. Ova tehnika se zasniva na dodeljivanju vremenskog slota svakom odpretplatnika koji su priključeni na PON. Kod PON-a centrala komunicira sa ostatkom mreže preko OLT-a (Optical Line Terminal) a korisnik preko ONT-a (Optical Network Termination). U ovakvom rešenju javlja se nekoliko problema koji su i dalje predmet proučavanja [8, 19]:

    1.Da bi se ostvarila efikasna sinhronizacija u komunikaciji, OLT mora da poseduje preciznu informaciju o vremenskom kašnjenju pri komunikaciji sa svakim ONT-om, budući da se korisnici nalaze na različitim rastojanjima. To je bitno iz razloga što ONT mora da šalje informacije ka OLT-u u tačno određenim vremenskim intervalima koji su mu namenjeni i time izbegne koliziju sa drugim ONT-ovima. Zbog uticaja temperature na vlakna koja idu od čvora ka korisnicima, vremensko kašnjenje fluktuira, pa je potrebno razviti metode i algoritme koji omogućavaju da se fluktuacija vremenskog kašnjenja uzme u obzir.

    2.Važan problem koji mora biti rešen kod TDMA-PON-a odnosi se na optički prijemnik kod OLT-a i predajnik kod ONT-a koji moraju da funkcionišu u rafalnom (burst) modu. Kako su vremenska kašnjenja i optički gubici za svaki ONT drugačiji, burst prijemnik u OLT-u mora brzo da se prilagodi svakom novom ONT-u u pogledu sinhronizacije i pojačanja u prijemu. S druge strane, predajnik u ONT-u mora da stabilizuje svoju transmisiju za kratko vreme i da prestane sa emisijom na kraju vremenskog slota, jer bi svaka rezidualna emisija dovela do potpunog kolapsa mreže.

    3.Da bi se bolje iskoristili vremenski resursi, potrebno je da se u situaciji kada jedan ONT nema previše podataka koje šalje, vreme dodeli drugom ONT-u koji ima šta da pošalje ka OLT-u. To se naziva problemom DBA (Dynamic Allocation Bandwidth) i jedna je od gorućih istraživačkih tema kojoj se u ovom trenutku posvećuje velika pažnja.

    4.Kod TDMA-PON-a optička snaga koja ide od centrale ka korisnicima se u pasivnom optičkom delitelju raspodeljuje korisnicima. U tom smislu povećanje broja korisnika N dovodi do smanjenja snage koja dolazi do svakog od njih (~1/N). Sa druge strane, vreme koje je dodeljeno korisniku je kraće, pa to zahteva povećanje bitskog protoka da bi se održala količina prenetih podataka. Konačan rezultat je da se odnos signala i šuma degradira i to tako da je SNR~1/N4 - 1/N5. U tom smislu postoje istraživački napori da se ublaži smanjenje SNR sa porastom broja korisnika.

    TDMA-PON se naglo razvija od 1990. do današnjih dana. Na Slici 7. prikazana je evolucija TDMA-PON-a [8, 19] koja se kretala od APON-a (PONa baziranog na ATM-u), i preko BPON-a (broadband PON-a) dovela do EPON-a (Ethernet PONa) koji je radio pri brzini od 1,25 Gb/s. Kako se potreba za bitskim protokom povećavala, došlo se do novog standarda GPON-a (Gigabit PON-a) koji ima downstream protok od 2,5 Gb/s i upstream od 1,25 Gb/s. Njegova prednost je što uz povećan bitski protok koristi transmisioni format GEM (Generic Encapsulation Method) koji omogućava da se uspešno simultano koriste ATM i Ethernet saobraćaj. Ono što je kod TDMA-PON-a ostalo nepromenjeno iz generacije u generaciju je to, da se upstream saobraćaj odvija u intervalu talasnih dužina od 1260-1360 nm. Razlog je to što je u ovom slučaju talasna dužina podešena u okolini disperzionog minimuma monomodnog vlakna i što se mogu koristiti jeftini i nehlađeni Fabri-Perot laseri (FP-LD) pri bitskom protoku od 1,25 Gb/s i na rastojanju od 10 km. Kada je u pitanju downstream, osnovni opseg leži u intervalu od 1480-1500 nm i on je nasleđen još iz APON generacije. Danas su definisana još dva dodatna opsega, jedan koji je namenjen za digitalne servise od 1539-1565 nm ili video-stream od 1550-1560 nm (Enhancement Band), kao i jedan koji je namenjen za buduće servise.

    Slika 7. Evolucija TDMA-PON-a

    WDMA je vrlo efikasan metod za PON arhitekturu. Ideja za WDMA-PON je relativno stara i datira još iz 80-ih godina prošlog veka. Ipak, do danas nije napuštena. Na razvoju ovih sistema se i dalje intenzivno radi i predviđa se da će ovaj pristup u budućnosti zameniti TDMA-PON. U tom smislu se pretpostavlja da će TDMA postepeno biti zamenjen WDMA tehnologijom, tako što će se broj talasnih dužina u TDMA sistemu povećavati. U odnosu na preostala dva metoda realizacije PON-a (SCMA i CDMA), TDMA i WDMA su daleko bolje prihvaćeni i napredniji [19].

    U WDMA šemi, korisniku je dodeljen par talasnih dužina i on može da komunicira sa OLT-om, bez obzira na to šta drugi korisnici rade. Na taj način, svaki korisnik poseduje njemu dodeljen point-to-point optički kanal ka OLT-u, iako pri tome dele zajedničku point-to-multipoint arhitekturu. WDMA se ostvaruje preko WDM multipleksera/demultipleksera, koji se realizuje kao AWG (Arrayed Waveguided Grating) ili dielektrični filter na bazi tankog filma. Problemi vezani za WDMA-PON koji su u ovom trenutku interesantni za istraživanje su sledeći [19, 20]:

    1.Svaki ONT zahteva predajnik sa tačno određenom talasnom dužinom, koja odgovara transmisionom prozoru definisanom AWG-om.U slučaju da se koriste DFB laseri, bilo bi potrebno obezbediti termo-električne hladnjake, koji bi omogućili stabilizaciju talasne dužine, a to bi dovelo do veoma skupog pakovanja lasera. U tom smislu je potrebno naći ekonomski i tehnološki isplativo rešenje, kojim je moguće zameniti veliki broj lasera, koji se nalaze u ONT-u. Istraživanja na ovom planu su vrlo intenzivna i trenutno postoji nekoliko interesantnih pravaca. Jedan od onih koji u ovom trenutku najviše obećavaju, zasniva se na izvorima koji su nezavisni od talasne dužine, takozvanim „bezbojnim“ izvorima, koji su identični u svakom ONT-u. Ovaj pristup koristi osemenjavajući optički signal iz OLT-a, kojim se ostvaruje fiksiranje putem talasne dužine sa identičnim ONT-om, koji može bit Fabri-Perot laserska dioda (FPLD) ili reflektujući poluprovodnički optički pojačavač (RSOA - Reflective Optical Semiconductor Amplifier). Ovaj uređaj obavlja 3 funkcije: pojačanje, modulaciju i refleksiju osemenjavajućeg signala koji dolazi iz OLT-a. Ideja je da osemenjavajući signal koji dolazi iz OLT-a, nakon prolaska kroz AWG ili odgovarajući filter, podesi emisiju lasera ili pojačavača na odgovarajuću talasnu dužinu, a nakon modulacije i refleksije, obezbedi prenos upstream signala od ONT-a do OLT-a. Osemenjavajući signali mogu poticati od niza DFB lasera smeštenih u OLT-u, koji nakon prolaska kroz AWG dolaze do odgovarajućeg identičnog lasera/pojačavača. Alternativni pristup zasniva se na korišćenju širokopojasnog ASE šuma iz optičkog pojačavača, koji nakon prolaska kroz AWG ili filter biva izdvojen u signal odgovarajuće talasne dužine koji dolazi do ONT-a. Druga varijanta je korišćenje downstream signala kao signala za osemenjavanje, ali u principu to dovodi do povećanja složenosti ONT-a.

    2.Druga vrsta problema kod WDMA-PON-a vezana je za temperatursku stabilnost talasne dužine kod AWG-a. Iz tog razloga je potrebno vršiti temperatursku kontrolu AWG-a, što u suštini znači da je potrebno posedovati električnu opremu u inače pasivnoj mreži. U ovom trenutku ponuđena su neka rešenja koja se baziraju na atermalnom AWG-u, ali se istraživanja na ovom polju nastavljaju.

    Jedna od skoro predloženih i efikasnih metoda za WDMA-PON, zasniva se na primeni FP-LD, gde se koristi injekciono sprezanje master lasera sa bočnim longitudinalnim modovima slejv lasera [21]. U ovom slučaju se downstream signal korisiti kao master signal za podešavanje radne talasne dužine slave FP-LD, koji se, sa druge strane, uz primenu direktne modulacije, koristi za prenos upstream signala. Svakom od korisnika dodeljena je jedna talasna dužina master LD-a.

    4. ZAKLJUČAK

    U narednih nekoliko godina telekomunikacionu mrežnu infrastrukturu i operatore očekuju značajne transformacije, koje će se realizovati kroz dva simultana procesa. Kao prvo, očekuje se unapređenje informacionog kapaciteta međunarodne i nacionalne mrežne okosnice. To podrazumeva povećanje bitskog protoka u transportnom delu mreže za barem jedan red veličine, što odgovara vrednosti od 10-15 Tb/s po jednom vlaknu. Pri tome će dominantnu ulogu u pogledu standarda prenosa preuzeti paketski-orijentisani sistemi sa bitskim protokom od 100 Gb/s po kanalu. Tehnologija na čijoj standardizaciji se radi od 2006 godine, a koja potencijalno u ovom trenutku može da podrži ovakve zahteve je 100-gigabitni Ethernet. Pokazuje se da su velike brzine prenosa signala u principu moguće, zahvaljujući napretku u oblasti novih modulacionih formata, koji smanjuju osetljivost signala na nelinearne efekte u vlaknu i, s druge strane, razvoju elektronike i brzih signal-procesora. Predviđa se da će sledeća generacija transportnih mreža posedovati potpunu transparentnost, što znači da će sve-optički sistemi rutiranja koji ne koriste OEO konverziju do tada biti efikasni i komercijalno dostupni. Kao važan preduslov razvoja ovakvih sistema, potrebno je usavršiti podsisteme skladištenja informacija u optičkom domenu (optičko baferisanje), kao i podsisteme za kvalitetnu konverziju talasnih dužina, 3R regeneraciju signala i očitavanje i obradu zaglavlja IP paketa. Drugi veliki događaj odnosi se na definitivni oproštaj od bakarne telefonske infrastrukture u pristupnom delu mreže i uvođenje FTTx tehnologije. U ovom trenutku među ponuđenim FTTx tehnologijama dominira TDMA-PON, ali se po svoj prilici, kao dugotrajnije rešenje nameće WDMA-PON. Iako tehnologija WDMA-PON-a još uvek nije dostigla svoju tehnološku i komercijalnu zrelost, u svetu se ulažu značajni istraživački napori da se to ostvari. U kojoj meri će sva ova predviđanja i očekivanja biti ispunjena, ostaje da se vidi. Međutim, jedno je sigurno, telekomunikacije uskoro ulaze u novu, terabitnu eru.

    Literatura

    [1] V. Alwayn: Optical Network Design and Implementation, Cisco Press (Networking Technology), 2004.
    [2] C. Schubert, R.H. Derksen, M. Möller, R. Ludwig, C.-J. Weiske, J. Lutz, S. Ferber, A. Kirstädter, G. Lehmann, C. Schmidt-Langhorst: "Integrated 100-Gb/s ETDM Receiver“, IEEE/OSA Journal of Lightwave Technology, vol. 25, no.1, 2007, pp. 122-130.
    [3] OMS3250 WDM system, product overview, Marconi-Ericsson, 2007, http://www.marconi.com/
    [4] 1626 Light Manager DWDM system, product overview, Alcatel-Lucent, 2007, http://www.alcatel-lucent.com/
    [5] DWDM backbone solution, product overview, Huawei, 2007, http://www.huawei.com/
    [6] Marco Forzati: "Phase Modulation Techniques for On-Off Keying in Optical Fibre Transmission", Phd. thesis, Chalmers University of Technology, Göteborg, Sweden, 2006.
    [7] M. Jinno, Y. Miyamoto, Y. Hibino: "Optical-transport networks in 2015", Nature photonics (Technology focus), March 2007, pp.157-159.
    [8] I. P. Kaminow, T. Li: "Optical Fiber Telecommunications, IV B", Academic Press, 2002.
    [9] D. Z. Chen, T. J. Xia, G. Wellbrock, P. Mamyshev, S. Penticost, G. Grosso, A. Puc, P. Perrier, H. Fevrier: "New Field Trial Distance Record of 3040 km on Wide Reach WDM With 10 and 40 Gb/s Transmission Including OC-768 Traffic Without Regeneration", IEEE/OSA Journal of Lightwave Technology, vol. 25, no.1, 2007, pp. 28-37.
    [10] P. J. Winzer, R. J. Essiambre: "Advanced Modulation Formats for High-Capacity Optical Transport Networks", IEEE/OSA Journal of Lightwave Technology, vol. 24, no.12, 2006, pp. 4711-4728.
    [11] Y. J. Wen, J. Mo, Y. Wang: "Advanced Data Modulation Techniques for WDM Transmission", IEEE Communications Magazine, vol.44, no. 8, 2006, pp. 58-65.
    [12] H.-G. Weber, R. Ludwig, S. Ferber, C. Schmidt-Langhorst, M. Kroh, V. Marembert, C. Boerner, C. Schubert: "Ultrahigh-Speed OTDM-Transmission Technology“, IEEE/OSA Journal of Lightwave Technology, vol. 24, no. 12, 2006, pp. 4616-4627.
    [13] S.J.B. Yoo: "Optical Packet and Burst Switching Technologies for the Future Photonic Internet", IEEE/OSA Journal of Lightwave Technology, vol. 24, no. 12, 2006, pp. 4468-4492.
    [14] L.Huo, Y. Yang, Y. Nan, C. Lou, Y. Gao: "A Study on the Wavelength Conversion and All-Optical 3R Regeneration Using Cross-Absorption Modulation in a Bulk Electroabsorption Modulator", IEEE/OSA Journal of Lightwave Technology, vol. 24, no. 8, 2006, pp. 3035-3044.
    [15] E. Kehayas, D. Tsiokos, P. Bakopoulos, D. Apostolopoulos, D. Petrantonakis, L. Stampoulidis, A. Poustie, R. McDougall, G. Maxwell, Y. Liu, S. Zhang, H. J. S. Dorren, J. Seoane, P. Van Holm-Nielsen, P. Jeppesen, H. Avramopoulos: "40-Gb/s All-Optical Processing Systems Using Hybrid Photonic Integration Technology", IEEE/OSA Journal of Lightwave Technology, vol. 24, no. 12, 2006, pp. 4903-4911.
    [16] M. Zhang, L. Wang, P. Ye: "All-Optical XOR Logic Gates: Technologies and Experiment Demonstrations", IEEE Optical Communications, no. 5, 2005, pp. S19-S24.
    [17] P. Chanclou, S. Gosselin, J. F. Palacios, V. L. Alvarez, E. Zouganeli: "Overview of the Optical Broadband Access Evolution: A Joint Article by Operators in the IST Network of Excellence e-Photon/One“, IEEE Communications Magazine, vol. 44, no. 8, 2006, pp. 29-35.
    [18] F. Effenberger, D. Cleary, O. Haran, G. Kramer, R.D. Li, M. Oron, T. Pfeiffer: "An Introduction to PON Technologies", IEEE Communications Magazine, vol. 45, no. 3, 2007, pp. S17-S25.
    [19] C.-H. Lee, W. V. Sorin, B. Y. Kim:"Fiber to the Home Using a PON Infrastructure", IEEE/OSA Journal of Lightwave Technology, vol. 24, no. 12, 2006, pp. 4568-4583.
    [20] W.-P. Huang, X. Li, C.-Q. Xu, X. Hong, C. Xu, W. Liang: "Optical Transceivers for Fiber-to-the-Premises Applications: System Requirements and Enabling Technologies", IEEE/OSA Journal of Lightwave Technology, vol. 25, no. 1, 2007, pp. 11-27.
    [21] N. Kashima: "Dynamic Properties of FP-LD Transmitters Using Side-Mode Injection Locking for LANs and WDM-PONs", IEEE/OSA Journal of Lightwave Technology, vol. 24, no. 8, 2006, pp. 3045-3058.

    Autor

    Dejan Gvozdić je zaposlen na Elektrotehničkom fakultetu u Beogradu u zvanju redovnog profesora. Njegova nastavna aktivnost vezana je za oblast optičkih telekomunikacije i fotonike. U toku 1998. i 2001. godine boravio na stručnom usavršavanju na Institutu za poluprovodničke tehnologije u Braunšvajgu (SR Nemačka), a od 2003. do 2005. na Kraljevskom tehnološkom institutu u Stokholmu (Švedska), u okviru departmana za Fotoniku i mikrotalasni inženjering. Od oktobra 2006. godine obavlja funkciju prodekana za naučno-istraživači rad na Elektrotehničkom fakultetu u Beogradu. Prof. dr Gvozdić je u toku dosadašnjeg naučnog i stručnog rada radio je na nizu problema koji se odnose na oblast optoelektronike, fotonike i optičkih komunikacija, a u poslednje vreme, spintronike i nanoelektronike. Rezultate istraživanja je objavio u više desetina renomiranih naučnih časopisa u inostranstvu. Učestvovao je na više projekata koje je finansiralo Ministarstvo za nauku. Trenutno je vođa projekat „Fotonske komunikacije“ koje finanasira Ministarstvo nauke u okviru osnovnih istraživanja. Aktivno učestvuje u recenzijama radova za IEEE Photonics Technology Letters i IEEE/OSA Journal of Lightwave Technology i radova na konferencijama TELFOR i ETRAN.

    OFFICE@TELEKOMUNIKACIJE.RS - COPYRIGHT:RATEL © 2008