Τηλεπικοινωνιακά Δίκτυα Υψηλών Ταχυτήτων

1. Τηλεπικοινωνιακά Δίκτυα Υψηλών Ταχυτήτων Παθητικά Οπτικά Δίκτυα (Passive Optical Networks – PONs)

2. Ορισμός • Ως παθητικά οπτικά δίκτυα (Passive Optical Networks – PONs) αναφέρουμε τα δίκτυα πρόσβασης (access networks) τα οποία αποτελούνται εξολοκλήρου από οπτικά στοιχεία. Στα δίκτυα αυτά δεν υπάρχουν ενεργές συσκευές πέρα από τους τελικούς κόμβους. • Στόχος των δικτύων αυτών είναι η ανάπτυξη οπτικής συνδεσμολογίας μέχρι το τερματικό του χρήστη (FTTx). • FTTC – Fiber To The Curb • FTTB – Fiber To The Building • FTTH – Fiber To The Home

3. Αρχιτεκτονική Παθητικών Οπτικών Δικτύων • Συσκευές Παθητικών Οπτικών Δικτύων • Optical Line Terminator – OLT: Τερματικό σύνδεσης χρηστών στον πάροχο. • Optical Network Units – ONUs: Τερματικό σύνδεσης συσκευών δίπλα στο χρήστη.

4. Πρότυπα Παθητικών Οπτικών Δικτύων • ΙΕΕΕ Standards • 802.3ah – EPON/GEPON (Ethernet PON/ Gigabit Ethernet PON) • 802.3av – 10G-EPON • ITU – T Standards • G.983 – APON/BPON (ATM PON / Broadband PON) • G.984 – GPON (Gigabit-capable PON) • G.987 – 10G-PON / XGPON

5. IEEE 802.3 – 10G-EPON • Το πρότυπο αυτό ορίζει • Συμμετρικό 10/10G-EPON • Downstream rate: 10.3125 Gbit/s. • Upstream rate: 10.3125 Gbit/s. • Ασύμμετρο 10/1G-EPON • Downstream rate: 10.3125 Gbit/s. • Upstream rate: 1.25 Gbit/s. • Μέγιστη απόσταση OLT – ONUs • 101 ONUs στα 7km • 81 ONUs στα 10km • 39 ONUs στα 20km

6. EPON Media Access Control (MAC) • Το φυσικό μέσο είναι κοινό και πρέπει να διαμοιράζεται μεταξύ των ONUs. Υπεύθυνος για τη διαδικασία αυτή είναι το OLT. • Στα EPONs για τη λειτουργία αυτή αναπτύχθηκε ένα σύστημα ανταλλαγής μηνυμάτων. Multipoint Control Protocol (MPCP). • EPON frame: 72 έως 1974 bytes. • Data field: 46 έως 1500 bytes.

7. Multipoint Control Protocol (MPCP) • Έλεγχος της κίνησης από τον OLT • GATE μήνυμα • Assign BW • Report μήνυμα • Request BW

8. G.987 - XGPON • Σύμφωνα με το πρότυπο: • Συμμετρικό XGPON2 • Downstream rate: 9.953280 Gbit/s • Upstream rate: 9.953280 Gbit/s • Ασύμμετρο XGPON1 • Downstream rate: 9.953280 Gbit/s. • Upstream rate: 2.488320 Gbit/s • Μέγιστη απόσταση OLT – ONU • 64 ONUs στα 24km.

9. XGPON Media Access Control (MAC) • Σε αντίθεση με τις ανεξαρτητες ανταλλαγές μηνυμάτων στα EPONs, για τα XGPONs ισχύει: • downstream • 125μς downstream XGTC Frame • 155520 bytes (38880 words) • Upstream • 125μς upstream XGTC Burst • 38880 bytes (9720 words)

10. XGPON Transmission • Downstream PHY Frame • Upstream PHY Frame

11. Ανάθεση Bandwidth στις ONUs • Δομικές Αδυναμίες των PONs: • Κοινό μέσο μετάδοσης: • Πολλά μήκη κύματος διαθέσιμα για downstream, ένα για upstream. • Ανάγκη δημιουργίας στρατηγικής διαμοίρασής του. • Υπεύθυνος το OLT. • Εγγενείς καθυστερήσεις: • Διάδοση από την ONU στον OLT. • Διάδοση μηνυμάτων από το OLT στις ONUs. • Ασφαλής εναλλαγή μεταξύ διαδοχικών ONUs ( guard time). • Αυθαίρετη άφιξη πακέτων στις ουρές • Ανάγκη στατιστικής πολυπλεξίας – προσαρμογή στις στιγμιαίες απαιτήσεις.

12. Δυναμική Ανάθεση Εύρους Ζώνης • Αναγκαία η ανάπτυξη αλγορίθμων δυναμικής ανάθεσης του εύρους ζώνης – Dynamic Bandwidth Allocation (DBA) • Εκτέλεση του DBAστον OLT. • Καθορίζει εικονικούς κύκλους εξυπηρέτησης. • Καθορίζει πότε θα στείλει κάθε ONU (grant scheduling) και για πόσο(grant size). • Κάθε ONU γνωστοποιεί στο OLT τις απαιτήσεις της από τον προηγούμενο κύκλο. • Πρέπει να εξασφαλίζεται κάθε φορά μετάδοση χωρίς συγκρούσεις. • Απαραίτητος ο συγχρονισμός ONUs και OLTs. • Αλγόριθμοι Δυναμικής Ανάθεσης Bandwidth • TDM – Time Division Multiplexing • IPACT - Interleaved Polling with Adaptive Cycle time • WDM – Wavelength Division Multiplexing • OCDMA – Optical Code Division Multiplexing

13. Τεχνικές Polling • Στους polling αλγορίθμους ο OLT γνωρίζει τις απαιτήσεις κάθε ONU και αφού αποφασίσει πότε και πόσο θα στείλει μια ONU της αναθέτει μια χρονοσχισμή στέλνοντας το αντίστοιχο GRANT μήνυμα στην ONU. • Το μήνυμα ορίζει το μέγεθος του παραθύρου. • Όταν η ONU το λάβει αρχίζει να στέλνει τα δεδομένα, όπως έχει οριστεί στο GRANT και τελειώνει την αποστολή με ένα REPORT μήνυμα στο οποίο αναφέρει το μέγεθος των δεδομένων που έχει στην ουρά. • Θα πρέπει μεταξύ διαδοχικών ONUs να υπάρχει κενό διάστημα ασφάλειας. • Οι ONUs εξυπηρετούνται διαδοχικά και σε ένα κύκλο πρέπει να έχουν εξυπηρετηθεί όλες τουλάχιστον μια φορά.

14. Standard vs Interleaved Polling • Standard Polling, Interleaved Polling, Interleaved Polling with stop.

15. IPACT – Interleaved Polling with Adaptive Cycle time

16. IPACT - Grant Sizing • Ο OLT πρέπει σε κάθε κύκλο να αποφασίζει το μέγεθος του παραθύρου για κάθε ONU. • Πέντε βασικοί τρόποι • Fixed – Ο OLT ορίζει ένα σταθερό παράθυρο το οποίο ισχύει για όλες τις ONUs για όλους τους κύκλους. • Gated – Το παράθυρο είναι ίσο με αυτό που ζήτησε (ανέφερε) η ONU στον προηγούμενο κύκλο. • Limited – ορίζεται ένα μέγιστο μέγεθος που μπορεί να ανατεθεί σε μια ONU. Εάν οι απαιτήσεις είναι μεγαλύτερες ανατίθεται αυτό το μέγιστο. Διαφορετικά όπως στο Gated. • Limited with Excess Distribution – Σε κάθε ONU ανατίθεται το μέγιστο που έχει οριστεί στη Limited.Αν κάποιες ONU δημιουργούν πλεόνασμα (οι απαιτήσεις είναι μικρότερες) τότε αυτό μοιράζεται στους υπόλοιπους. • Exhaustive Service System Using Queue Size Prediction – Στο REPORT των ONUs χρησιμοποιείται τεχνική πρόβλεψης για δεδομένα που μπορεί να έρθουν στο διάστημα από το τελευταίο REPORT μιας ONU μέχρι το επόμενο GRANT σε αυτή.

17. WDM Αλγόριθμοι DBA • Σε περιπτώσεις PONs, που για το upstream διατίθενται περισσότερα του ενός μήκη κύματος, θα πρέπει ο αλγόριθμος που αναθέτει το bandwidth να λάβει επιπλέον υπόψην το κατάλληλο μήκος κύματος το οποίο μπορεί να ανατεθεί σε μία ONU. • Online scheduling: Η ανάθεση bandwidth σε μία ONUαποφασίζεται κάθε φορά που κάνει REPORT. • Offline scheduling: Η ανάθεση bandwidth στις ONUs γίνεται όταν ο OLT έχει λάβει REPORT από όλες τις ONU.

18. WDM Αλγόριθμοι DBA • Online Scheduling • Offline Scheduling

19. Τεχνικές CDMA για οπτικά δίκτυα • Με τις τεχνικές CDMA διαφορετικοί χρήστες μοιράζονται ταυτόχρονα χρόνο και συχνότητα. Πολλά κανάλια μπορούν να πολυπλεχτούν σε ένα μήκος κύματος την ίδια χρονική σχισμή. • Διαχωρίζονται μέσω μιας μοναδικής ακολουθίας/κώδικα. • Οι κωδικές ακολουθίες πρέπει να είναι ορθογώνιες για να επιτυγχάνεται μηδενική διασυμβολική παρεμβολή. • Το bit rate των κωδικών ακολουθιών πρέπει να είναι αρκετά μεγαλύτερος σε σχέση με αυτό των δεδομένων. • Το μήκος της κωδικής ακολουθίας καθορίζει το πλήθος των παράλληλων χρηστών και το πραγματικό ρυθμό μετάδοσης δεδομένων.

20. Optical CDMA - OCDMA • Υπέρ • Δεν απαιτούνται πολύπλοκοι αλγόριθμοι DBA. • Διαχείριση χρονικών σχισμών. • Διαχείριση μηκών κύματος. • Εξάλειψη των guard times. • Επιτυγχάνεται ασύγχρονη μετάδοση, χωρίς κεντρικό έλεγχο και χωρίς συγκρούσεις. • Αυτόνομη λειτουργία των ONUs. • Κατά • Το οφέλιμο bit rate περιορίζεται από το μήκος της κωδικής ακολουθίας LC. BR = BW/LC. • Αδυναμία δημιουργίας καθαρά ορθογώνιων κωδικών.

21. Υβριδικοί Αλγόριθμοι DBA • Το σύνηθες είναι οι παραπάνω μέθοδοι να συνδυάζονται για την καλύτερη αξιοποίηση των πόρων. • Παραδείγματα υβριδικών μεθόδων είναι: • TDMA – WDMΑ: Όταν οι χρήστες είναι περισσότεροι από τα διαθέσιμα μήκη κύματος, μοιράζονται μεταξύ χρονικών σχισμών. • TDMA – OCDMA: Όταν οι χρήστες είναι περισσότεροι από τις κωδικές ακολουθίες, μοιράζονται μεταξύ χρονικών σχισμών. • WDMA – OCDMA: Ανατίθενται κωδικές ακολουθίες σε διαφορετικά μήκη κύματος. 2D– OCDMA. • TDMA – WDMA – OCDMA: Σε συγκεκριμένη χρονοσχιχμή, ανατίθενται διάφορα μήκη κύματος και για καθένα οι αντίστοιχες κωδικές ακολουθίες.