High Speed Fiber Optic

1. High Speed Fiber Optic Coordonator : Conf.Dr.Ing. Stefan Stancescu Masterand: Ing. Mihai Sbircea

2. Cuprins • Introducere • Nivelul fizic • Fibrelemultimode • Fibrelesinglemode • Gigabit Ethernet (1/10/100 Gbps) – High Speed FiberOptic • Ruteresi Switch-uricuinterfete ce suporta 100GE • WDM • Codarea 8b/10b • Concluzii • Bibliografie

3. Nivelul fizic • Mediul de transfer + conectorii aferenti • Se ocupa de reprezentarea bitilor pe mediul de transfer • Creaza semanlul optic pe mediul de transfer conform cu cerintele de codare impuse • Face encoding • Face semnalizare :trasforma frame-ul in tipare(NRZ, Mancester, Grouping BITS, 4b/5b – bit de control)

4. Introducere – Fibra Optica • O fibră de sticlă(sticla de siliciuSiO2 )sau plastic care transportă lumină • Permite transmisii pe distanțe mai mari și la lărgimi de bandă mai mari decât alte medii de comunicație • Semnalul este transmis cu pierderi mai mici si sunt imune la IEMGN • Lumina este dirijată prin miezul fibrei optice cu ajutorul reflexiei interne totale (ghid de unda) • Fibrele care suportă mai multe căi de propagare sau moduri transversale ( multimodale), cele ce suportă un singur mod (monomodale) • diferăprindiametrulmiezuluiprin care se transmitelumina • Se folosesc in topologii de tip STAR

5. Fibrele multimod(1) • 1. Fibramultimodcuprofilulindicelui de refracţieîntrepte • Foloseste tehnoloia LED + distante de max 2 km • Diametrulmiezuluifibreiopticecuprofilulindicelui de refracţieîntrepte este înlimitele de la 100 pînă la 200 μm • Valoareaindicelui de refracţie n1 de-alungulaxei (la centrulmiezului) este constant şidescreşterapid (întrepte) la graniţacuînvelişul

6. Fibrele multimod(2) • 2. Fibremultimodcuprofilulindicelui de refracţie gradient • Diametrulfiruluipurtător de lumină este 50 şi 62.5um, ce este cu un ordin mai mare decâtlungimeaundei de transmitere • Aceasta duce la propagarea diferitor tipuri de raze luminoase – mode – în toate cele trei ferestre de transparenţă (lungimile de undă la care se transmite semnalul cu pierderi minime – 850, 1310 şi 1550 nm). • Două ferestre de transparenţă 850 şi 1310 nm de obicei pentru transmiterea luminii folosesc fibra multimod.

7. Fibrele monomod • Folosesc tehnologia laser + distante de zeci de Km ~ conectori • Diametrul firului purtător de lumină alcătuieşte 8-10 um • Regimul monomod în fibra monomod se realizează în ferestrele de transparenţă 1310 şi 1550 nm • Propagarea numai a unei mode înlătură dispersia intermodală şi asigură o capacitate de transmisiune foarte înaltă • Cel mai bun regim de propagare din punct de vedere a dispersiei se obţine în apropierea lungimii de undă 1310 nm

8. Gigabit Ethernet -High Speed FiberOptic • Versiunile de Gigabit Ethernet: 1000BASE-SX si 1000BASE-LX ofera urmatoarele avantaje spre deosebire de UTP: • Imunitate le zgomot • Dimensiuni fizice reduse • Latime de banda mai mare • Cele 2 versiuni suporta transmisie Full-Duplex la 1250 Mbps pe 2 fire de fibra optica. • Transmisia se bazeaza pe schema de criptare/incapsulare 8b/10b. • Datorita headere-lor de incapsulare, rata de transfer a datelor este de 1 Gbps.

9. Gigabit Ethernet -High Speed Fiber Optic • Principalele deosebiri intre 1000BASE-LX si 1000BASE-SX sunt legate de conectori si de lungimea de unda a semnalului optic. • 1000BASE-SX este utilizat la fibra optica multimodala, cu o lungime de unda aproape de IR( 770 – 860 nm). Standardul specifica distante intre 220m –550m. • In practica, pentru o fibra si terminatii de calitate, acest standard va functiona si pentru distante chiar mai mari si este des utilizat in interiorul cladirilor mari de birouri. • 1000BASE-LX este un standard Gigabit Ethernet pentru fibra optica specificat in IEEE 802.3, care utilizeaza o lungime de unda mare a laserului (1,270-1,355 nm). Standardul este conceput sa functioneze pe distante de pana la 5 Km pe o fibra single mode de 10um. Poate functiona pe toate tipurile de milti-mode fiber optic pentru segmente de lungime maxima de 550m.

10. Gigabit Ethernet -High Speed Fiber Optic • 10GBASE-SR („short range”) este un tip de port pentru fibra multi-mode si utilizeaza lasere la 850 nm. Transmite date la o rata de 10.3125 Gbit/s pe distante de ordinul sutelor de metrii. • 10GBASE-LR(„long reach”) este un tip de port pentru fibra multi-mode si utilizeaza lasere la 1310 nm. Transmite date la o rata de 10.3125 Gbit/s pe distante de zeci de Km. • Mai exista si 10GBASE-LRM, -ER, -ZR, -LX4 cu variatii intre distantele de transmisie , cost si performanta.

11. Rutere si Switch-uricuinterfete ce suporta 100GE • Dezvoltarea de rutere si switchuri cu interfete ce suporta 100Gbps nu este foarte usoara. • Unul din motive este nevoia de a procesa stream-uri de pachete 100Gbit/s, fara reorganizare la nivel de IP in microflow-uri. • Componenetele lor interne necesita calificare extensiva si co-design, astfel ca producatorii nu s-au sfiit in a sustine ca aceast „milestone” este inca destul de fragil in momentul de fata. • In ordinea cronologica, din punct de vedere al companiilor producatoare, a aparitiei acestor dispozitive intermediare de retea pe piataamintim: • Alcatel-Lucent • Brocade Communications Systems • Cisco Systems • Huawei • Juniper Networks

12. Rutere si Switch-uricuinterfete ce suporta 100GE

13. Multiplexarea semnalelor optice • Prinmultiplexare se pot transmite si receptiona mai multesemnaleutilizandaceeasifibra • 2 standarde de multiplexare:multiplexareprindivizarea • frecventei(FDM) si multiplexareaprindivizareatimpului (TDM) • In FDM, undelepurtatoare au frecventediferite si suntmodulate de diferitesemnale. La receptorsemnalelesuntidentificateprinutilizareaunor filtre acordatepefrecventeleundelorpurtatoare • In TDM, se marcheazadiferiteintervale de timpcorespunzatoareesantioanelorcorespunzatoarediferitelorsemnale. Receptorulcautafiecaresemnal la timpulmarcat

14. Multiplexarea prin divizarea lungimilor de unda (WDM) • Dacafrecventelesemnalelorpurtatoare au valorimultdiferiteintreele (diferente de sute GHz) => WDM • Un sistem WDM utilizeazasurse de luminacudiferitelungimi de unda, fiecaremodulata de un anumitsemnal • Demultiplexareaesterealizata la receptor prinutilizareaunuifiltruoptic • WDM permite un număr de canale care sătrimită la diferitelungimi de undăînaceeaşifibră, într-o singurădirecţiesauînambeledirecţii, dublândcapacitatea • Pot fi folosite fie între2 - 10 canalecare au o separareîntreele de lungime de undăcuprinsăîntre 5 - 50 nm sau5 – 100 canaleculungimea de undă de separareîntrecanale de 0,1 - 5 nm

15. Multiplexarea prin divizarea lungimilor de unda (WDM) • Tehnologia WDM este o nouătehnologieoptică care ofera multiple lungimi de undă la viteza de 10 Gbpspefibraoptică, pefiecarelungime de undă • Tehnologia WDM a evoluatastfel ca separatialungimilor de unda ale canalelorpoate fi foarte mica–fractiuni de nm-dandnastere la DWDM (dense WDM) • Suntdejadisponibilepepiataretele in care fibre individuale transporta mai multdecat 100 de canaleopticeindependente, ca si acelea ce transmit bidirectional in aceeasifibra • Succesul DWDM se datoreaza in mare masura EDFA (amplificatorulcufibradopatacuerbiu), un dispozitivoptic care utilizeazaenergiaunui laser de pompaj al puteriipentru a amplificatoatesemnalelelungimilor de undaprezente la intrarea sa (intr-o banda ingusta de trecere–centrata la 1550 nm)

16. Traditional vs WDM

17. Caracteristici de baza ale WDM • Crestereacapacitatii – daca o λ suporta o transmisieindependenta de zeciGbps, atuncifibrasuporta o transmisie care crestecufiecare λ aditional (cresterelatime de banda) • Transparenta - fiecare canal de transmisiesuportaorice format de transmisiesimultan si independent: informatieanalogica, date digitale sincrone, asincrone • Rutare de lungimi de unda – calea de transmisie a unuisemnalpoate fi rutata (route / switch / cross-routing) princonversia de λ la nodurileintermediare ale retelei • Scalabilitate – adaugareusoara de echipamente, atuncicand e nevoie, pentrumarireacapacitatii si extinderiiretelei

18. WDM • Încazul WDM transmiţătoareleopticesuntechipateculaserireglaţipelungimi de undăspecificeavând filtre optice la ieşireceea ce permitemultiplexareapasivă a semnaleloropticeîntr-o singurăfibră • Sistemele WDM digitale permit rate de bit şiprotocoale de accesindependentepeaceeaşifibrăoptică, faptextrem de important pentrudezvoltareareţelelormetropolitanepefibrăoptică. Se eliminăastfelcostulasociatcuconversiileîntreprotocoaleleutilizate

19. DWDM & CWDM (1) • Existădouătipuri de tehnologii WDM utilizateînreţeleleactualeşianume: multiplexareacudivizareadensă a lungimii de undă (Dense WDM) şimultiplexareacudivizarealungimii de undăcudistanţaintercanal mare (CoarseWDM) • Un sistem DWDM digital metropolitan este caracterizat de un costscăzut per canal şiopereazătipic peste distanţe de 100 la 300 kilometri. Sistemele DWDM metropolitaneactuale pot combina mai mult de 30 de canaleopticeseparatepe o singurăpereche de fibre optice. • Majoritateaechipamentelor pot accepta semnaleoptice client înorice format, peorice tip de fibră (exemplufibra MM 850 nm, fibra SM 1310 nm)

20. DWDM & CWDM (2) • Sistemele CWDM realizeazăimplementareacucostscăzutdatorităuneicombinaţii de laserinerăciţi, toleranţă de selectare a lungimii de undă a laseruluicrescută (relaxed) şi filtre trece banda largi • LaseriiCWDM consumă mai puţinăputereşiocupă mai puţinspaţiupeplăcilecircuitelorcomparativcuceipentru DWDM ceea ce duce la un preţscăzut • Filtrelepasivepentrumultiplexare/demultiplexare CWDM sunt mai puţin complexe şi au un cost mai scăzut • Lipsasuportuluipentruservicii transport de 10 Gbit/s • Limitareanumarului de unde CWDM disponibile

21. Codarea 8b/10b • Algoritmul de codare a fost inventat si patentat de IBM • Acest tip de codare este folosita in transmisiadatelorpeFiber Channel (viteze de pana la 1Gbps ), ESCON (200 Mbps) si Gigabit Ethernet • Procesul de codareasigura ca exista secventa de sincronizare(semnalul de clock) in sirul de date astfelincatreceptorul sa poatadecodacorectinformatiatrimisa => emisie pe distante mari si rata mica de erori • Probleme ale semnalului de baza care determinautilizareaunuimecanism de obtinere a semnalului de clock la receptorpentru o decodarecorecta : • Secvente mari de ‘0’ • Secvente mari de ‘1’ • Semnalul nu este optimizatpentrutransmisiapemediuloptic

22. Codarea 8b/10b • Codarea 8b/9b se bazeazapecodarea 5b/6b si 3b/4b. • Acest tip de codarefoloseste 2 tipuri de caractere : speciale si de date • Simbolurile de date suntnotateD.x.y. , iar simbolurile speciale sau caracterele de control cu K.x.y (start-of-frame, end-of-frame, linkidle, skip , etc)

23. Codarea 8b/10b • Ceidoibiti de sincronizaresuntadaugati dupa urmatoarelecriterii : • RD – Running Disparity = Numar de ‘1’ – Numar de ‘0’ • In functie de valoareaobtinutapentru RD, se urmaresctabelelestandardizatepentrucodarea 5b/6b si 3b/4b • De retinutdesprecodarea 8b/10b : • Faciliteazatransmisiadatelorpe distante mai mari si este mai eficienta in determinareaerorilor • Introduce un overhead de 25% pentrufiecarecaractersauocupa 20% din banda totala • Este utilizata de multeprotocoalecuperformantaridicata : ESCON, FICON, Fibre Channel, Gigabit Ethernet optic si SSA

24. Concluzii • Mufe: SC (Subscriber Connector) + ST (Straight Type) • Alte standarde: 10BASE-FL,100BASE-FX,1000BASE-ZX • Aplicatii: • Telecomunicatii (cladiri) • Senzori (temp din int motoarelor cu reactie, pesiune) • Iluminat, design • Avantaje: • Distanta • Lipsa de interferenta • Securitatea • Dezavantaje: • Probleme de conectare: sticla + sticla = dioptru ( difractie, refractie ) =>contactul cel mai bun e prin topire si recristalizare • Pretul

25. Bibliografie • Agrawal, Govind : “Fiber-optic communication systems.” • Encyclopedia of Laser Physics and Technology • VivekAlwayn : “Fiber-Optic Technologies” • George Constantinescu: “Tipuri si parametrii ai fibreloroptice” • www.cisco.netacad.net • www.google.com