ΗΜΥ 100 Εισαγωγή στην Τεχνολογία Οπτικές και Ασύρματες Τηλεπικοινωνίες

1. ΗΜΥ 100Εισαγωγή 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

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

4. Οπτικό Σύστημα

5. Εξέλιξη 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 ημιαγωγούσε 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

7. Ανατομία μιας οπτικής ίνας • Διάμετρος: • Μονότροπη οπτική ίνα: 8 μm πυρήνας, 125 μm μανδύας • Πολύτροπηοπτική ίνα : 50, 62.5, 100 μm πυρήνας, 125 μm μανδύας

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 (;)

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 τηςπρώτης οπτικής ίνας χαμηλής εξασθένισης (1970)

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)

13. Το διαδίκτυο κι η ανάγκη των οπτικών τηλεπικοινωνιών

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-opticLink 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

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. • (www.flagatlantic.com) • 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) http://smw3.fcr.fr/

22. Νόμος του Gilder 3x εύρος ζώνης/χρόνογια 25 χρόνια • Σήμερα: • 10 Gb/s ανά κανάλι • 4-128 κανάλια ανά ίνα: > 40 Gb/s • 32 - 196 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. e-commerce $3 τρισεκατομμύρια μέχρι το 2003 1990 1995 2000 2005 Relative Load Τάσεις: Αυξανόμενη κίνηση δεδομένων 30 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. 0.01 0.1 1 10 100 1000 10,000 Τάσεις: Εξέλιξη σε πιο ψηλούς ρυθμούς δεδομένων Studio Quality Digital HDTV 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. 10,000 Ethernet 1,000 100 BT, Bit rate Gb/s Telecoms 10 1 0.1 0.01 0.001 Year 2014 1990 2006 1998 Τάσεις: Εξέλιξη σε πιο ψηλούς ρυθμούς δεδομένων • Ethernet: Χ 10 φορές αύξηση ρυθμού δεδομένων κάθε δύο χρόνια

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

28. Γιατί χρειαζόμαστε όλο αυτό το εύρος ζώνης?

29. Τάσεις για E-commerce 160% Buy airline tickets 140% 120% 100% Change 1998 - 2000 Banking 80% Shopping 60% Check weather Travel information 40% Gamble Share prices Download software 20% Sports scores Email 0% Internet searches Chat rooms - 20% 90% 30% 80% 10% 20% 40% 50% 70% 60% Online users frequently/occasionally engaging in activity (2001)

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

31. Κατηγορίες οπτικών τηλεπικοινωνιακών συστημάτων Κατευθυνόμενες Free Space e.g. intersatellite links • Ολοκληρωμένα οπτικά • (Integrated Optics) • Χρησιμοποιούνται για • λειτουργικότητα, πχμεταγωγή, • 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 ρυθμούχρησιμοποιώντας πολυπλεξία με διαίρεση χρόνου(Time Division Multiplexing (TDM)) • WDM : Ταυτόχρονη μετάδοση δεδομένων σε διαφορετικά μήκη κύματος (όπως το FDM στα ραδιοφωνικά συστήματα)

33. TDM : B bps NB bps 1 N . . WDM : B bps B bps B bps . . 1 N . . l1, l2, …, lN Τεχνικές Πολυπλεξίας

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

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 providefiner granularity and rich connectivity whereas optics provide coarser granularity and large throughput).

36. Μήκη κύματος τυπική απόσταση 0.2-1nm ίνα . . . . καλώδιο l1l2l3 Πολυπλεξία κατά μήκος κύματος(Wavelength Division Multiplexing (WDM))

37. Οπτικά δίκτυα

38. OC192 OC48 OC3/OC12 Το φυσικό στρώμα σήμερα Υπεραστική τηλεφωνία 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 Υπεραστική τηλεφωνία OC12/192 Αστική Τηλεφωνία DCS/OXC WDM CO Αστική Τηλεφωνία DWDM HUB DWDM Super HUB Τοπικά Δίκτυα

40. WTM WADM WSXC 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)

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

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

43. Input 1 l1 l8 l1 l8 l1 l8 l1 l8 l1 l8 WSXC Κόμβος δρομολόγησης μ.κ. DMUX EDFA MUX EDFA l1 Output 1 l8 l1 4x4 space switch Output Input 2 2 l8 l1 l1 l1 l1 l1 l8 Output l2 Input 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. Central Office Electronic Equipment 2 Fiber WDM Ring SONET or Other NE 2 Fiber WADM(Wavelength Add-Drop Mux) Αρχιτεκτονική Δακτυλίου (Ring Network Architecture)

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

48. Αρχιτεκτονικές Δικτύων Σενάριο Εξέλιξης WDM link Inter-office 1-2.5 Gbps/wavelength 8-32 wavelengths WDM Ring WADM ADM SONET Ring OXC Star Ring WDM backbone

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

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