High Speed Fiber OpticCoordonator : Conf. Dr. Ing. Stefan Stancescu

Masterand:Ing. Mihai Sbircea

Cuprins

• Introducere• Nivelul fizic• Fibrele multimode • Fibrele singlemode • Gigabit Ethernet (1/10/100 Gbps) – High Speed Fiber Optic• Rutere si Switch-uri cu interfete ce suporta 100GE • WDM• Codarea 8b/10b• Concluzii• Bibliografie

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)

Introducere – Fibra Optica• O fibră de sticlă (sticla de siliciu SiO2 )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)

• diferă prin diametrul miezului prin care se transmite lumina• Se folosesc in topologii de tip STAR

Fibrele multimod(1)• 1. Fibra multimod cu profilul indicelui de refracţie în trepte• Foloseste tehnoloia LED + distante de max 2 km• Diametrul miezului fibrei optice cu profilul indicelui de

refracţie în trepte este în limitele de la 100 pînă la 200 μm• Valoarea indicelui de refracţie n1 de-a lungul axei (la centrul

miezului) este constant şi descreşte rapid (în trepte) la graniţa cu învelişul

Fibrele multimod(2)• 2. Fibre multimod cu profilul indicelui de refracţie gradient • Diametrul firului purtător de lumină este 50 şi 62.5um, ce este

cu un ordin mai mare decât lungimea undei de transmitere• Aceasta duce la propagarea diferitor tipuri de raze luminoase –

mode – în toate cele trei ferestre de transparență (lungimile de undă la care se transmite semnalul cu pierderi minime – 850, 1310 și 1550 nm).

• Două ferestre de transparență 850 și 1310 nm de obicei pentru transmiterea luminii folosesc fibra multimod.

Fibrele monomod• Folosesc tehnologia laser + distante de zeci de Km ~ conectori• Diametrul firului purtător de lumină alcătuiește 8-10 um• Regimul monomod în fibra monomod se realizează în

ferestrele de transparență 1310 și 1550 nm• Propagarea numai a unei mode înlătură dispersia intermodală

și asigură o capacitate de transmisiune foarte înaltă • Cel mai bun regim de propagare din punct de vedere a

dispersiei se obține în apropierea lungimii de undă 1310 nm

Gigabit Ethernet -High Speed Fiber Optic• 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.

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.

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.

Rutere si Switch-uri cu interfete 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 piata amintim:

Alcatel-Lucent Brocade Communications Systems Cisco Systems Huawei Juniper Networks 

Rutere si Switch-uri cu interfete ce suporta 100GE

Multiplexarea semnalelor optice • Prin multiplexare se pot transmite si receptiona mai multe

semnale utilizand aceeasi fibra • 2 standarde de multiplexare:multiplexare prin divizarea • frecventei (FDM) si multiplexarea prin divizarea timpului

(TDM)• In FDM, undele purtatoare au frecvente diferite si sunt

modulate de diferite semnale. La receptor semnalele sunt identificate prin utilizarea unor filtre acordate pe frecventele undelor purtatoare

• In TDM, se marcheaza diferite intervale de timp corespunzatoare esantioanelor corespunzatoare diferitelor semnale. Receptorul cauta fiecare semnal la timpul marcat

Multiplexarea prin divizarea lungimilor de unda (WDM)• Daca frecventele semnalelor purtatoare au valori mult diferite

intre ele (diferente de sute GHz) => WDM• Un sistem WDM utilizeaza surse de lumina cu diferite lungimi

de unda, fiecare modulata de un anumit semnal• Demultiplexarea este realizata la receptor prin utilizarea unui

filtru optic• WDM permite un număr de canale care să trimită la diferite

lungimi de undă în aceeaşi fibră, într-o singură direcţie sau în ambele direcţii, dublând capacitatea

• Pot fi folosite fie între 2 - 10 canale care au o separare între ele de lungime de undă cuprinsă între 5 - 50 nm sau 5 – 100 canale cu lungimea de undă de separare între canale de 0,1 - 5 nm

Multiplexarea prin divizarea lungimilor de unda (WDM)• Tehnologia WDM este o nouă tehnologie optică care ofera

multiple lungimi de undă la viteza de 10 Gbps pe fibra optică, pe fiecare lungime de undă

• Tehnologia WDM a evoluat astfel ca separatia lungimilor de unda ale canalelor poate fi foarte mica–fractiuni de nm-dand nastere la DWDM (dense WDM)

• Sunt deja disponibile pe piata retele in care fibre individuale transporta mai mult decat 100 de canale optice independente, ca si acelea ce transmit bidirectional in aceeasi fibra

• Succesul DWDM se datoreaza in mare masura EDFA (amplificatorul cu fibra dopata cu erbiu), un dispozitiv optic care utilizeaza energia unui laser de pompaj al puterii pentru a amplifica toate semnalele lungimilor de unda prezente la intrarea sa (intr-o banda ingusta de trecere–centrata la 1550 nm)

Traditional vs WDM

Caracteristici de baza ale WDM• Cresterea capacitatii – daca o λ suporta o transmisie

independenta de zeci Gbps, atunci fibra suporta o transmisie care creste cu fiecare λ aditional (crestere latime de banda)

• Transparenta - fiecare canal de transmisie suporta orice format de transmisie simultan si independent: informatie analogica, date digitale sincrone, asincrone

• Rutare de lungimi de unda – calea de transmisie a unui semnal poate fi rutata (route / switch / cross-routing) prin conversia de λ la nodurile intermediare ale retelei

• Scalabilitate – adaugare usoara de echipamente, atunci cand e nevoie, pentru marirea capacitatii si extinderii retelei

WDM• În cazul WDM transmiţătoarele optice sunt echipate cu laseri

reglaţi pe lungimi de undă specifice având filtre optice la ieşire ceea ce permite multiplexarea pasivă a semnalelor optice într-o singură fibră

• Sistemele WDM digitale permit rate de bit şi protocoale de acces independente pe aceeaşi fibră optică, fapt extrem de important pentru dezvoltarea reţelelor metropolitane pe fibră optică. Se elimină astfel costul asociat cu conversiile între protocoalele utilizate

DWDM & CWDM (1)• Există două tipuri de tehnologii WDM utilizate în reţelele

actuale şi anume: multiplexarea cu divizarea densă a lungimii de undă (Dense WDM) şi multiplexarea cu divizarea lungimii de undă cu distanţa intercanal mare (Coarse WDM)

• Un sistem DWDM digital metropolitan este caracterizat de un cost scăzut per canal şi operează tipic peste distanţe de 100 la 300 kilometri. Sistemele DWDM metropolitane actuale pot combina mai mult de 30 de canale optice separate pe o singură pereche de fibre optice.

• Majoritatea echipamentelor pot accepta semnale optice client în orice format, pe orice tip de fibră (exemplu fibra MM 850 nm, fibra SM 1310 nm)

DWDM & CWDM (2)• Sistemele CWDM realizează implementarea cu cost scăzut

datorită unei combinaţii de laseri nerăciţi, toleranţă de selectare a lungimii de undă a laserului crescută (relaxed) şi filtre trece banda largi

• Laserii CWDM consumă mai puţină putere şi ocupă mai puţin spaţiu pe plăcile circuitelor comparativ cu cei pentru DWDM ceea ce duce la un preţ scăzut

• Filtrele pasive pentru multiplexare/demultiplexare CWDM sunt mai puţin complexe şi au un cost mai scăzut

• Lipsa suportului pentru servicii transport de 10 Gbit/s• Limitarea numarului de unde CWDM disponibile

Codarea 8b/10b• Algoritmul de codare a fost inventat si patentat de IBM• Acest tip de codare este folosita in transmisia datelor pe Fiber

Channel (viteze de pana la 1Gbps ), ESCON (200 Mbps) si Gigabit Ethernet

• Procesul de codare asigura ca exista secventa de sincronizare (semnalul de clock) in sirul de date astfel incat receptorul sa poata decoda corect informatia trimisa => emisie pe distante mari si rata mica de erori

• Probleme ale semnalului de baza care determina utilizarea unui mecanism de obtinere a semnalului de clock la receptor pentru o decodare corecta :

• Secvente mari de ‘0’• Secvente mari de ‘1’• Semnalul nu este optimizat pentru transmisia pe mediul optic

Codarea 8b/10b• Codarea 8b/9b se bazeaza pe codarea 5b/6b si 3b/4b. • Acest tip de codare foloseste 2 tipuri de caractere : speciale si

de date• Simbolurile de date sunt notate D.x.y. , iar simbolurile speciale

sau caracterele de control cu K.x.y (start-of-frame, end-of-frame, link idle, skip , etc)

Codarea 8b/10b• Cei doi biti de sincronizare sunt adaugati dupa urmatoarele

criterii : RD – Running Disparity = Numar de ‘1’ – Numar de ‘0’ In functie de valoarea obtinuta pentru RD, se urmaresc tabelele

standardizate pentru codarea 5b/6b si 3b/4b

• De retinut despre codarea 8b/10b :• Faciliteaza transmisia datelor pe distante mai mari si este mai

eficienta in determinarea erorilor• Introduce un overhead de 25% pentru fiecare caracter sau ocupa

20% din banda totala • Este utilizata de multe protocoale cu performanta ridicata : ESCON,

FICON, Fibre Channel, Gigabit Ethernet optic si SSA

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

Bibliografie• Agrawal, Govind : “Fiber-optic communication systems.”

• Encyclopedia of Laser Physics and Technology

• Vivek Alwayn : “Fiber-Optic Technologies”

• George Constantinescu: “Tipuri si parametrii ai fibrelor optice”

• www.cisco.netacad.net

• www.google.com