Idelfonso Tafur Monroy

Transkript

1 Idelfonso Tafur Monroy

2 Kapitel 9 Dit vindue til verden Fiber til hjemmet af Idelfonso Tafur Monroy Fiber til hjemmet (eller på engelsk: Fiber-tothe-home - FTTH), eller måske ligefrem Fiber til forbrugerens enemærker (der på engelsk kendes som: fiber to the customer premises - FTTCP) er ikke alene nye akronymer i det danske sprog, men dækker også over teknologier, der leverer bredbånds telekommunikation baseret på fiber-optiske kabler og de tilknyttede optiske og elektroniske komponenter. Disse teknologier muliggør levering af adskillige avancerede serviceprodukter såsom telefon, bredbånds internet forbindelse, samt high definition TV alt sammen leveret over den samme optiske fiber direkte til hjem eller kontor. I fremtiden kan FTTH teknologien i endnu højere grad blive vores vindue til verden, når sågar tre-dimensionale bevægelige billeder bliver leveret gennem D TV, og spil bliver tilgængelige gennem en bredbånds forbindelse direkte ind i dagligstuen.

3 Kapitel 9 Dit vindue til verden Figur 9-. Fiber-til-hjemmet system realiseret ved brug af en passiv optisk netværksarkitektur. Adgang til internettet på et hvilket som helst sted og tidspunkt forudses at komme til at spille en væsentlig rolle i den moderne livsstil. Allerede i dag er bredbånds forbindelser vigtige for forretningsverdenen, for bankverdenen, og for den offentlige sektor. Ligeledes er bredbåndsforbindelser og internet adgang på meget kort tid blevet en måde, hvorpå mange mennesker holder forbindelse til venner og familie, for slet ikke at tale om den udbredte brug af bredbånds internet til informationssøgning og underholdning. Yderligere forventes det, at man i fremtiden vil udvikle avanceret informations- og kommunikationsteknologisk (Engelsk: Information and Communication Technology - ICT) understøttede nyskabelser, som vi i dag kun kan gisne om indholdet af. Blandt de muligheder, som oftest omtales, kan vi dog nævne emner såsom e-medicin (altså langdistance besøg hos lægen), tele-arbejde, interaktive spil, samt ICT understøttet service til den aldrende del af befolkningen. I de efterfølgende afsnit vil vi beskrive, hvorledes fiber-til-hjemmet systemer virker, ligesom vi vil se nærmere på de teknologier, der skal til for at realisere disse netværk. Endelig vil vi kaste et nærmere blik på nogle futuristiske anvendelser muliggjort af FTTH systemer. Fiber-til hjemmet ved hjælp af en passiv optisk netværksarkitektur Fiber-til-hjemmet bliver normalt implementeret ved anvendelse af en såkaldt passiv optisk netværk (PON) arkitektur. I denne konfiguration vil den optiske fiber forbindelse mellem brugeren og (telefon)centralen blive delt mellem et fastsat antal brugere typisk mellem 6 og 2 brugere, sådan som det er illustreret på Figur 9-. Signalerne fordeles til de enkelte brugere gennem optiske splittere. Disse splittere fordeler brøkdele af den samlede signaleffekt til de enkelte brugere, og de betyder således, at signalet mellem central og bruger udsættes for en kraftig dæmpning (mindst svarende til den del af den samlede 58

4 Dit vindue til verden Kapitel 9 ONU Optisk linie terminal (central) Optisk netværk enhed (bruger) Data afsendt Data afsendt Medium access Transmitter Modtager C W D M λ u C D W M Transmitter Modtager Medium access Data modtaget Data modtaget λ d ONU ONU Figur 9-2. Fiber-til-hjemmet netværk. Der benyttes opdeling af det optiske spektrum for at adskille de enkelte dele af spektret. signaleffekt, der går til andre brugere). Af denne årsag vil der også være grænser for, hvor mange brugere man kan splitte signalet ud imellem. Desuden vil det være således, at alle brugerne må deles om den samlede båndbredde, som fiberen kan levere. En typisk PON arkitektur vil være i stand til at levere signaler til 2 brugere indenfor en afstand af 20 kilometer fra (telefon)centralen. Hvordan virker det? Figur 9-2 illustrerer et FTTH netværk. Brugerne er forbundet til det centrale fordelingspunkt (på engelsk kaldet: central office - CO). Det udstyr, der er placeret hos brugeren, kaldes den optiske netværks enhed (engelsk: optical network unit - ONU). Det udstyr, der er placeret i det centrale fordelingspunkt, kaldes den optiske terminerings linie (engelsk: optical line termination - OLT) udstyr. Forbindelsen mellem det centrale fordelingspunkt og brugeren etableres enten gennem en enkelt eller en dobbelt fiberforbindelse. Hos brugeren sidder en optiske sender og en optisk modtager, der benyttes til at kommunikere med centralen. I den modsatte ende på centralen er der tilsvarende placeret en optisk sender og modtager, og der benyttes forskellige bølgelænder af lys til at sende signaler fra central til bruger og i modsat retning. Signaler, der sendes fra centralen, betegnes som downstream, og signaler, der sendes fra brugeren, upstream signaler. For at adskille upstream bølgelængden u fra downstream bølgelængden d, benytter begge endeterminaler, hvad man kan betegne som en enkel form for opdeling af det optiske spektrum (på engelsk: wavelength division (de)multiplexing - WDM). Der benyttes en række algoritmer og regler til at styre kommunikationen mellem centralpunkt og bruger (hvilket teknisk set kaldes en protokol, og som beskrives mere indgående i kapitel 2). Dette styres af skræddersyet elektronik, der på Figur 9-2 svarer til den byggesten, der kaldes medium access module. Vi vil i et senere afsnit af dette kapitel beskrive hvorledes den såkaldte Ethernet protokol, der normalt benyttes til fiber-til-hjemmet systemer, er opbygget. De nødvendige teknologier I fiber-til-hjemmet systemer føres signalerne ud til brugerne gennem optiske fibre af hyper-rent glas (se kapitel 4), og grunden til dette valg er helt klart de uovertrufne transmissionsegenskaber og især lave tab, som disse lysledere udviser. 59

5 Kapitel 9 Dit vindue til verden Figur 9-. Optiske effekt splittere og kombinatorer. (Reproduceret med tilladelse fra Ignis Photnyx) Optisk effekt splittere og kombinatorer En af de centrale byggeblokke i fiber-til-hjemmet systemer er den optiske effekt splitter, der benyttes til at levere kopier af det optiske signal fra det central transmissionspunkt ud til hver af brugerne. Optiske effekt splittere kan realiseres ved brug af planær bølgeleder teknologi, hvor en foretrukken udførelsesform er ultratynde glasbølgeledere fremstillet på et substrat af silicium (se kapitel ). Man taler her ofte om såkaldt silicaon-silicon teknologi. Denne teknologi har vist sig at have et meget lavt indsætningstab (dvs. den ekstra dæmpning som kommer gennem lysets passage gennem komponenten) og en høj ensartethed af alle de krævede signal kopier. En af de interessante egenskaber ved en optisk effekt splitter er, at den virker bi-direktionalt, hvilket vil sige, at den også kan udnyttes i modsat retning til at kombinere flere forskellige optiske signaler (kommende fra hver enkelt bruger). Det typiske forhold som signaleffekten splittes med er 8, 6 og 2 kanaler. For at kunne leve op til det stadigt voksende behov for båndbredde er tendensen, at man udvider systemet med flere bit-hastigheder og introducerer 64-splittere for at kunne servicere flere brugere. Lyskilder og fotodioder Fotonik er den centrale teknologi ved realisering af netværkets knudepunkter (altså det der kaldes OLT og ONU terminalerne). Således benyttes op- 60

6 Dit vindue til verden Kapitel 9 tiske lyskilder i senderenheden i såvel OLT som ONU terminaler. Herudover vil de tilsvarende modtagere indeholde fotodioder, der kan omsætte det modtagne optiske signal til et elektrisk. Som illustreret på Figur 9-2, så er det i både ONU enden og i OLT enden af transmissionsvejen nødvendigt at adskille de to bølgelængder, som der benyttes i henholdsvis upstream og downstream kommunikationen. Eftersom ONU udstyret er placeret hjemme hos den enkelte bruger, så kan udgiften hertil ikke deles mellem flere parter. Derimod kan udgiften til det udstyr, der placeres i den centrale terminal fint deles, hvilket er væsentligt, for at holde prisen for den enkelte bruge nede. En måde til at reducere udgifterne for forbrugerne er ved at benytte kompakte fotoniske komponenter, som dels kan massefremstilles, og som kan varetage mere end en funktionalitet i brugerterminalen. Et eksempel på en sådan fotonisk integreret kreds kan være en komponent, der sammenbygger de bølgelængdeadskillende dele med senderens lyskilde og modtagerens fotodiode, hvormed en ultra-kompakt ONU enhed kan realiseres. Integration af fotoniske kredsløb beskrives nærmere i kapitel 2. Beskrivelse af et Ethernet baseret fiber-til-hjemmet netværk En meget udbredt protokol til styring af fiber-tilhjemmet netværk er Ethernet protokollen som ofte benyttes i en passiv-optisk-netværks (PON) konfiguration. En sådan sammensætning omtales ofte ved akronymet EPON. Et EPON netværk er opbygget således, at der er forbindelse fra et centralt knudepunkt og ud til alle brugere, eller hvad der kaldes en punkt-til-multipunkt (engelsk: point-to-multipoint - P2MP) topologi. Følgende bølgelængder benyttes henholdsvis for signaler fra den centrale terminal ( downstream ) og for signaler fra brugerterminalerne ( upstream ): d = 490 nm downstream u = 0 nm upstream Brugerne, eller ONU terminalerne, oplever kun trafikken fra det centrale punkt, hvilket betyder, at ingen af brugerne kan se den trafik, som sendes fra de øvrige brugere. Enhver kommunikation mellem de enkelte brugere sker således gennem det centrale punkt. EPON Downstream Lad os nu se nærmere på signalvejen fra det centrale punkt; i et EPON netværk, vil OLT terminalen sende informationer ud under anvendelse af de såkaldte Standard IEEE 802. data pakker til alle ONU terminaler, der er forbundet til netværket. En eller flere pakker, der kan være af variabel længde, lægges ind i en ramme af fast længde. En sådan fastlængde ramme sendes over et tidsinterval af ca. 2 millisekunders varighed, og det kan sammenlignes med, at man sender forskellige pakker med togvogne af en ensartet størrelse. Hver ramme starter med en speciel sekvens af bits, der har til formål at sikre tidssynkronisering ved ONU modtageren. Hver ONU inspicerer den indledende bit-sekvens (den såkaldte header ) for hver pakke og udvælger de pakker som er adresseret til den pågældende modtager (se Figur 9-4). EPON Upstream Figur 9-5 viser, hvorledes brugerne kommunikerer med central terminalen (CO). Dette sker ved at tiden opdeles mellem brugerne, således at kun én bruger kan sende data til central punktet på et givet tidspunkt. Dette system til skiftevis at få adgang til kommunikationskanalen omtales oftest som en tids multiplex (engelsk: time division multiplex access - TDMA) protokol. For at undgå kollisioner mellem pakker fra forskellige brugere 6

7 Kapitel 9 Dit vindue til verden Header Payload FCS ONU USER 802. frame 2 OLT 2 2 ONU 2 2 USER 2 2 ONU USER Figur 9-4 Downstream operation af et EPON netværk. er det nødvendigt at benytte et nøje afstemt arrangement af afsendelsestidspunkter for hver enkelt bruger. I et EPON netværk ordnes afsendelsestidspunkterne som vist på Figur 9-4, således at data fra alle brugere ankommer til effekt splitteren som pakker én efter én. Et billede på dette er den måde hvorpå biler, der skal ind på en motorvej, med høj hastighed fletter sig ind mellem hinanden. Der benyttes specielle beskeder og algoritmer i et EPON netværk til at styre, hvor langt fra centralpunktet hver bruger er placeret, således at man fra det centrale punkt kan sende instruktioner til hver bruger om, hvornår de hver især kan sende data. Atter kan billedet med motorvejen benyttes på den måde, at der kan være tale om tilkørselsveje af forskellig længde, og hvis man kun kan bestemme, hvornår en given bil starter, så er det nødvendigt at afpasse tidspunktet under hensyntagen til vejens længde. I upstream forbindelsen benyttes tidsrammer af fast længde, og hver af disse tidsrammer benytter en speciel bit-sekvens til at angive starten af rammen. Hver enkelt brugerterminal har et specielt tidsinterval indenfor rammens længde, hvor data kan indlægges under anvendelse af standard IEEE 802. pakker. Hvis brugerterminalen på et givet tidspunkt ikke har information at sende, udfyldes det afsatte tidsinterval med en informationstom bit-sekvens. Som vist på Figur 9-5, holdes der hermed nøje styr på afsendelsestidspunkterne, således at pakkerne ikke bringes til at kollidere. Kvalitet af service Fiber-til-hjemmet leverer en service til slut-brugeren i form af telefon, adgang til internettet, og/ eller tv-signaler. Disse anvendelser stiller imidlertid meget forskellige krav til den kvalitet, der kan accepteres. For eksempel kan det være komplet ødelæggende for en telefonsamtale, hvis der falder et antal datapakker ud, eller det kan være uheldigt, hvis beløbet ikke blev transmitteret ved en overførsel via netbank, hvorimod man i de fleste tilfælde nok bedre ville kunne leve med at tv-signalet blinkede. For at imødekomme de forskellige kvalitetskrav, så kan man yderligere lade EPON FTTH netværk benytte fleksible pakkelængder. Standardiserede EPON fiber-til-hjemmet syste- 62

8 Dit vindue til verden Kapitel 9 Header Payload FCS 802. frame ONU USER time slot OLT ONU 2 USER ONU USER Figur 9-5 Upstream operation af et EPON netværk. Fremtiden FAKTABOKS Holografisk TV Det at kunne skabe en teknologi, der kan vise bevægelige tre-dimensionale billeder, har været en drøm for forskere gennem en årrække. Idag er man imidlertid nået dertil, hvor drømmen om at komme til at se D TV nærmer sig det realistiske, og en af de centrale elementer er udviklingen af holografiske display teknologier. Selvom det nok vil tage en årrække før D TV systemerne kommer ind i folks dagligstuer, så kan man forestille sig andre anvendelser, hvor omkostningerne ved de endnu dyre systemer kan deles af mange brugere. En mulighed er f.eks. medicinsk afbildning, træningssystemer til piloter, D videospil og skærme til flytrafik kontrol. Men hvad har D TV egentligt at gøre med fiber-til-hjemmet? Svaret ligger i den meget store datamængde, som det vil være nødvendig at levere fra en central terminal til D TV og D spil konsollerne. Det vurderes, at der vil være brug for en Gb/s forbindelse for at levere en D TV kanal. Dette er, som vi har set, 0 gange mere båndbredde end hvad et typisk EPON netværk leverer til forbrugeren i dag. For at bringe en potentiel D infotainment verden ind i vores hjem gennem vores fremtidige vindue til verden, så vil betydelige udviklingsskridt være nødvendige for at opdatere fiber-tilhjemmet teknologien. Dette udgør en meget stor udfordring og nogle fantastisk spændende muligheder for de kommende generationer. 6

9 Fiber-til-hjemmet åbner et vindue til hele verden

10

11 Kapitel 9 Dit vindue til verden mer opererer med en datahastighed (bit-rate) på.25 Gb/s, der leveres til 2 brugere. Dette betyder, at hver forbruger kan få leveret en datahastighed på 00 Mb/s. Anvendelser I dag anvendes fiber-til-hjemmet netværk som sagt primært til at sende internet, telefon og TV til forbrugerne, og disse tre typer af service sælges under betegnelsen tripleplay service, eller med engelske betegnelser video, data access, and voice over IP (VoIP). Hertil kommer, at FTTH gør nye ydelser mulige: Video-on-demand, HDTV, internet inklusive Youtube og Myspace. Fiber-tilhjemmet netværk muliggør imidlertid andre anvendelser såsom lægeassistance via nettet. I disse sammenhænge vil bredbåndsforbindelser til lægehuse eller hospitaler gøre det muligt, at konsultere en speciallæge uden at patienten behøver at forlade sit hjem. Yderligere kan fiber-til-hjemmet gøre det muligt, at livsvigtige data omkring patientens helbredstilstand kan sendes kontinuert over internettet, således at ældre medborgeres helbredstilstand løbende kan følges fra ældrecentre, således at man i givet fald kan tilkalde assistance i god tid, eller måske ligefrem undgå at livstruende situationer opstår, f.eks. ved at patienten får besked om at tage en tablet. Adskillige andre ICT anvendelser kan komme på tale, og de kan udvikles til at forbedre menneskers livskvalitet betydeligt. 66

12 Dit vindue til verden Kapitel 9 Idelfonso Tafur Monroy, Lektor 67