VI. CONSIDERAŢII ASUPRA SISTEMELOR PE BAZĂ DE F.O.

VI.1. PROIECTAREA SISTEMELOR PE FIBRĂ OPTICĂ

Primul pas în proiectarea unui sistem pe fibre constă în luarea deciziilor privind parametrii de operare ce se vor aplica pentru fiecare componentă. Chestiunile principale, date în tabelul de mai jos, implică debitul de date şi rata erorii pe bit în sistemele digitale, lăţime de bandă, liniaritate şi raporturi semnal/zgomot în sistemele analogice şi pentru toate sistemele, distanţele de transmisie. Aceste întrebări, cât de departe, cât de bun şi cât de rapid, definesc constrângerile de bază ale aplicaţiei.

Factorul de sistem Consideraţii/alegeri

Distanţa de transmisie Complexitatea sistemului creşte cu distanţa de transmisie Tipuri de fibre optice Single-mod sau Multimod Dispersia Încorporează regenerator de semnale sau Compensarea dispersiei Neliniarităţile fibrei Caracteristicile fibrei, Lungime de undă, Puterea emiţătorului Lungimea de undă de lucru Tipic 780, 850, 1310, 1550, şi 1625 nm Puterea emiţătorului Tipic exprimată în dBm Tipul sursei LED sau Laser Sensibilitatea receptorului/ Caracteristici la suprasarcină

Tipic exprimate în dBm

Tipul detectorului PIN, APD, sau IDP Codul de modulaţie AM, FM, PCM sau Digital Rata erorii pe bit (doar sistemele digitale)

Tipic 10-9, 10-12

Raport semnal/zgomot Specificat în dB Număr de conectori sau suduri în sistem

Pierderile de semnal cresc cu numărul de conectori sau susuri

Cerinţe de mediu ambiant şi limitări

Umiditate, temperatură, expunere la lumina directă a Soarelui

Cerinţe mecanice Inflamabil, Aplicaţie de interior/exterior

Tabelul VI.1. Consideraţii despre proiectarea sistemelor

IDP (Integrated Detector/Preamplifier): O cutiuţă detector ce conţine o fotodiodă PIN şi un

amplificator transimpedanţă; acesta din urmă se foloseşte imediat după fotodetector din considerente de zgomot redus şi bandă largă. Toate aceste consideraţii sunt inter-relaţionate dar distanţa de transmisie este consideraţia predominantă. Distanţa de transmisie afectează puterea la ieşirea emiţătorului ce va dicta astfel tipul de sursă de lumină utilizat. Are influenţă asupra tipului de fibră, cele single-mode (monomod) fiind mai potrivite pentru transmisia pe distanţe lungi. Emiţătorul şi tipul de fibră dictează tipul de receptor şi sensibilitatea. Tot distanţa de transmisie va influenţa alegerea schemei de modulaţie. Proiectarea unui sistem poate părea complexă dar câteva tehnici vin să simplifice acest proces. O asemenea tehnică este de a determina bugetul de pierderi pe legătura optică, ceea ce presupune evaluarea puterii de la ieşirea emiţătorului, lungimea de undă cu care se operează, atenuarea fibrei, lăţimea de bandă şi sensibilitatea receptorului optic. O altă tehnică determină bugetul de timpi de creştere de-a lungul legăturii, care descrie abilitatea dispozitivelor de transmisie de a se deschide şi închide suficient de repede. O analiză de sensibilitate determină puterea optică minimă ce trebuie recepţionată pentru a obţine o anumită performanţă pentru sistem. Sensibilitatea receptorului poate fi afectată de intensitatea zgomotului sursei, inerent sursei de lumină ce este folosită, zgomotul fibrei, zgomotul receptorului, jitter-ul, interferenţa intersimbol şi rata erorii pe bit.

Mediul de lucru trebuie luat şi el în considerare. Temperatura afectează performanţele LED-urilor şi laserilor ca şi pe cele ale fibrei. Instalaţiile din clădiri uneori necesită testări pentru siguranţă la foc,

radiaţii electromagnetice sau alt parametru specific ambianţei. Anumite medii prezintă mai multă nesiguranţă pentru sistemele pe fibre decât altele, lucru ce va influenţa alegerea tipului de cablu. Costul unui sistem de transmisie pe fibră optică poate fi de asemenea o consideraţie critică. Alegerea componentelor cum ar fi tipul emiţătorului de lumină, lungimea de undă a emiţătorului, tipul conectorului tipul fibrei şi tipul detectorului vor avea impact asupra costului dar şi asupra performanţei sistemului. Bunul simţ conduce la un sistem cu cel mai bun cost astfel încât să întrunească şi cerinţele aplicaţiei. Performanţa în exces conduce adesea la costuri ale sistemului prea mari pentru aplicaţia cerută. Odată ce aţi determinat cerinţele de bază ale sistemului şi necesitatea fibrei optice, veţi avea de răspuns la următoarele întrebări: 1.Care sunt pierderile în fibră ale sistemului? Acestea nu reprezintă acelaşi lucru cu pierderile optice (conectori, suduri, dispozitive, etc); ele se referă la produsul lăţime de bandă x distanţă, care descrie cât de mare este atenuarea optică pe o anumită lungime de fibră. Pierderea în fibră va determina cerinţele pentru ieşirea emiţătorului optic şi/sau includerea regeneratoarelor pe calea de fibră. 2.Ce lungime de undă să aleg pentru transmiţător: 1310 sau 1550 nm? Depinde de aplicaţie şi de pierderile pe legătură. 1550 are pierderi mai mici (0,25 dB/km) decât 1310 (0,35 dB/km). În mod normal, 1550 este folosit pentru aplicaţii cu distanţe mari, în special datorită disponibilităţii amplificatoarelor optice.

3.Ce tip de semnale vreţi să fie transmise? Aici includem semnale video, semnale audio, semnale de date şi astfel vom şti dacă semnalul va fi digital sau analog. 4.Ce tip de fibră va fi folosit? Aşa cum avem prezentat şi în tabelul anterior, alegerile sunt multimod sau single-mod. Distanţa de transmisie, tipul de semnal şi aplicaţia vor pre-determina cel mai potrivit tip de fibră. Distanţele mari, vitezele mari sau transmisia multicanal cer fibră monomod, în timp ce distanţele mici, vitezele scăzute şi transmisia unicanal vor permite folosirea fibrelor multimod, mult mai ieftine. 5.Ce conectori optici vor fi folosiţi? Ca şi la tipurile de fibre, diferite sisteme vor avea cerinţe diferite. Conectorii pot fi specificaţi pentru a reduce reflexiile înapoi, o uşurinţă mai mare în instalare, număr de dispozitive cât mai mic sau interfaţare cu conectorii dintr-un sistem deja existent.

6.Ce calitate este aşteptată la capătul de recepţie? Aceasta se referă la calitatea video. 7.Ce configurare necesită sistemul? Aceasta se referă în general la topologia sistemului, care poate fi punct la punct, inel, etc. 8. Care este puterea maximă ce poate injecta în fibră? Limita teoretică este 17 dBm. Dincolo de ea, reflexiile înspre sursă, cunoscute şi ca împrăştiere stimulată Brillouin, încep să apară. Aceasta poate degrada raportul semnal/zgomot şi cauza distorsiuni. Mai trebuie cunoscut faptul că este o relaţie de 1:2 între lumină şi RF (între puterea luminoasă şi puterea de RF recepţionată). Pentru fiecare modificare de 1 dB în lumină, va fi o corespondenţă de 2 dB modificare în puterea de RF recepţionată. Deci 1 dB mai multă lumină va determina 2 dB mai mult RF.

În zilele noastre sistemele de transmisie de mare viteză pe fibre optice lucrează la următoarele debite binare standard:

Standard SONET

Standard SDH

Debit binar

OC1 - 51,84 Mbps OC3 STM 1 155,52 Mbps OC12 STM 1 622,08 Mbps OC48 STM 1 2,4883 Gbps OC192 STM 1 9,9533 Gbps

Tabelul VI.2. Debitele binare standard de lucru pe F.O.

VI.2. PROIECTAREA UNUI SISTEM CATV ANALOGIC/DIGITAL PE FIBRE OPTICE

Sistemele analogice AM pe fibre optice au început să înlocuiască vechiul cablu coaxial pentru distribuţia locală în cadrul unei reţele CATV, în timp ce sistemele digitale sunt folosite pentru transmiterea diferitelor servicii de date. În trecut aceste sisteme analogice şi digitale operau pe fibre optice separate. Oricum, odată cu creşterea şi expansiunea acestor sisteme CATV, direcţia actuală în proiectarea sistemelor CATV presupune multiplexarea cu divizarea lungimii de undă pentru a combina ambele tipuri de semnale, analogice şi digitale, pentru transmiterea lor pe aceeaşi fibră. Aceasta permite expansiunea sistemului prin creşterea numărului de semnale transmise pe o fibră deja instalată. Odată cu creşterea acestor sisteme, transmisia pe calea directă încetează să fie singura cale cerută. Sistemele CATV de azi necesită de asemenea o reţea pentru calea de întoarcere pentru a manipula datele din reţeaua Internet via modemurile de cablu. Ne vom focaliza atenţia asupra celor două versiuni de sisteme, pe două fibre şi pe o fibră cu două semnale WDM.

Înainte de 1980, mai toate sistemele CATV erau bazate pe coaxial dar din prima parte a anilor ’80

industria CATV a început să folosească legături AM/VSB (AM cu rest de bandă laterală) pe 1310 nm cu modulaţie directă pentru distribuţia super-trunchiurilor. Figura următoare ilustrează o arhitectură tipică de sistem incluzând un super-trunchi. Prin transportarea semnalelor de înaltă calitate din headend (staţia CATV) acest sistem a redus numărul amplificatoarelor cascadate necesare (figura VI.1).

Headend (Staţie centrală)

Amplificatoare RF

Amplificatoare RF

Amplificatoare RF

Fibra optică

SupertrunchiTx Rx

MA-BLU MA-BLU

Fig.VI.1. Arhitectură tipică de super-trunchi CATV

De la începutul anilor ’90, provider-ii (furnizorii) de CATV au început să folosească sisteme digitale multicanal pentru a transporta un mare număr de canale video necomprimate, calitate broadcast sau digitizate între headend-uri. Operând încă în fereastra de 1310 nm în această configuraţie, un headend separat ce apărea înainte a fost înlocuit cu semnale de foarte bună calitate ce sunt transportate de un sistem digital multicanal de la un „master” headend. Figura următoare VI.2 ilustrează această configuraţie.

Headend principal

Amplificatoare RF

Fibră optică

Amplificatoare RF

Amplificatoare RF

Amplificatoare RF

Amplificatoare RF

Amplificatoare RF

Headend secundar

Tx digital multicanal

Tx digital multicanal

Fibră optică

Fibră optică

Fig.VI.2. Arhitectură CATV hibridă analog/digitală

Apariţia emiţătoarelor pe 1550 nm modulate extern VSB/AM de mare performanţă şi

amplificatoarelor pe fibre optice dopate cu erbiu (EDFA) au schimbat arhitectura sistemelor CATV încă o dată. Aceste legături pe 1550 nm sunt folosite pentru a transporta semnale între locaţiile de headend-uri aflate la distanţe mari, folosind EDFA ca amplificatoare de linie. Ilustrat în figura VI.3, acest sistem încorporează de asemenea splitere optice în plus faţă de EDFA. În această configuraţie, emiţătorul este considerat ca având două ieşiri, o caracteristică obişnuită pentru aceste noi tipuri de transmiţătoare. Prima ieşire optică a emiţătorului pe 1550 nm alimentează un al doilea headend ce are un emiţător pe 1310 nm. A doua ieşire optică merge la un spliter 1x2. Ieşirea numărul 1 se duce direct la un receptor de 1550 nm pentru distribuţie de la headend-ul principal la un emiţător pe 1310 nm. Ieşirea numărul 2 a spliterului optic va alimenta un EDFA. Semnalul este amplificat optic şi trecut mai departe unui receptor optic ce alimentează un al treilea headend aflat la mulţi kilometri depărtare.

Fig.VI.3. Arhitectură CATV hibridă 1310 nm & 1550 nm VSB/AM (MA-BLU)

Amplificatoare RF

Amplificatoare RF

Amplificatoare RF

Amplificatoare RF

Amplificatoare RF

Amplificatoare RF

Amplificatoare RF

Amplificatoare RF

Amplificatoare RF

Fibră optică

Fibră optică

Fibră optică

Headend

Headend

Headend

Tx 1550 nm

Rx 1550 nm

EDFA

Rx

Rx

Rx

Tx 1310 nm Tx 1310 nm Primele trei arhitecturi nu folosesc nici o componentă WDM şi reprezintă cazuri de arhitecturi

complet analogice. Odată cu creşterea sistemelor CATV, la fel a crescut şi nevoia de a maximiza capacitatea de transmisie a fiecărei fibre. Multiplexarea cu diviziunea lungimii de undă permite semnalelor analogice şi digitale să coexiste pe o aceeaşi fibră. Figura următoare (VI.4) ilustrează un sistem de transport unidirecţional cu WDM de tip combinat, adică AM CATV/digital.

Spliter tic 1x 2

Rx 1550 nm

op

Tx 1310 nm

Fig.VI.4. Transport unidirecţional CATV analog/digital folosind WDM

Video convertor A/D

Video convertor D/A

Canale CATV

Canale CATV

WDM 1310/1550 nm

WDM 1310/1550 nm

Tx digital 1550 nm

Rx AM CATV 1310 nmFibră optică

Rx digital 1550 nm

Tx AM CATV 1310 nm

În configuraţia de mai sus, semnalele de la transmiţătorul de CATV AM pe 1310 nm şi de la transmiţătorul digital pe 1550 nm sunt multiplexate prin divizarea lungimii de undă pe aceeaşi fibră. La recepţie, semnalele sunt demultiplexate şi îndrumate spre receptoarele potrivite. În ideea de a menţine calitatea sistemului, WDM-ul trebuie să aibă o izolare foarte bună care să prevină interferenţa între semnalul analog pe 1310 nm şi semnalul digital pe 1550 nm. O configuraţie bidirecţională a unui astfel de sistem de transport CATV analog/digital este prezentat în figura VI.5.

Video

convertor A/D Video

convertor D/A

WDM 1310/1550 nm

WDM 1310/1550 nm

Tx digital 1550 nm

Rx AM CATV 1310 nm Tx AM CATV 1310 nm

Rx digital 1550 nm

Fibră optică

Canale CATV

Canale CATV

1550 nm

1310 nm

Fig.VI.5. Transport bidirecţional CATV analog/digital folosind WDM

Din punct de vedere al headend-ului, un sistem bidirecţional arată ca în figura VI.6.

HEADEND

Reţea locală

Client

Client

Fibra de uplink (legătura inversă)

Fibra de downlink(legătura directă)

Semnal RF pentru downlink

Semnal RF pentru uplink

Laser

Fotodiodă

Fig.VI.6. Reţea bidirecţională

Iar o reţea completă se poate reprezenta mai simplificat şi astfel (figura VI.7):

Fig.VI.7. Structura unei reţele HFC pentru CATV

CMTS

Tx

Spliter optic

Noduri optice

Sumator RF (Combiner RF)

Modulatoare CATV

Retransmisia semnalelor cu ajutorul hub-urilor ce repetă echipamentul din headend

De la modulatoarele

RF

Tx de cale directă

Rx de cale directă

Tx de cale inversă

Tx de cale directă

Rx de cale inversă

Placă de interfaţă reţea

La aplicaţiile cu revers ale sistemului

Rx de cale inversă

Surse de alimentare

Placă de interfaţă reţea

Surse de alimentare

HEADEND HUB (repetor)

Control

Control

Control

Control Control

Control Control

Control

Ctrl

Conexiuni ale reţelei Ctrl

RF

RF

RF

RF

DC

DC DC DC

DC DC

DC DC

AC sau DC AC sau DC

la nod

de la nod

sertar cu conexiuni

sertar cu conexiuni

Fig.VI.8. Utilizarea unui hub pentru retransmisia semnalelor ce intră/ies dintr-un headend, în cazul distanţelor foarte mari

Placa de interfaţă cu reţeaua (NIC) se foloseşte la monitorizarea funcţionării elementelor hardware

de la distanţă sau de pe un sistem de calcul local. Emiţătoarele de cale directă (forward transmitters) transportă semnale video analogice sau codate digital cu QAM (modulaţie de amplitudine în cuadratură, un tip de modulaţie combinată de amplitudine şi

fază) 16, 64, 256 de la headend la hub-ul de retranslaţie. Emiţătoarele de cale inversă (return transmitters) colectează datele codate QPSK sau QAM de la nodurile optice pentru a le transporta la headend. Ambele tipuri transmit semnale optice cu o lungime de undă conform specificaţiilor ITU.

VI.2.1. NODURI OPTICE PENTRU REŢELE HFC

Noduri optice pentru HFC standard cu dublă cale

Aceste dispozitive recepţionează semnalul optic de pe o fibră şi îl convertesc în semnal RF, folosind un singur receptor. Apoi modulul amplificator de RF măreşte nivelul semnalului de pe calea directă. Semnalele RF de întoarcere de pe cablul coaxial intră în modulul amplificator prin porturile de intrare/ieşire. După ce semnalele sunt combinate, transmiţătorul de întoarcere (de cale inversă) converteşte semnalul de RF în semnal optic şi îl trimite înapoi în headend la un receptor de cale inversă.

Direct

Revers

Fig.VI.9. N.O. pentru HFC dublă cale

Nod optic pentru HFC cu dublă cale şi redundanţă

Direct

Revers

Comutator

Amp RF

Fig.VI.10. N.O. cu redundanţă

Această variantă se alege atunci când se solicită o foarte bună disponibilitate pentru reţea, ca în cazul telefoniei sau serviciilor digitale interactive. Nodul primeşte semnale optice pe două fibre, una primară şi una redundantă. Două receptoare, unul primar şi unul redundant convertesc semnalele optice în semnale RF. Mai departe acestea sunt aplicate la un comutator ce va trimite numai semnalul primar la modulul amplificator de RF. Dacă apare un defect pe legătura optică primară, comutatorul direcţionează în mod automat semnalul de pe fibra redundantă către modulul de amplificare RF. Similar se petrec lucrurile şi pe calea inversă, selectând de această dată la headend fibra de întoarcere cea mai potrivită.

Componentele unui nod optic În figura VI.11 se prezintă o schemă generică de nod optic fără redundanţă şi care se foloseşte în

reţelele HFC. Se observă pe calea de recepţie o dublă amplificare a semnalului de RF detectat, de unde şi specificaţia în foile de catalog – „double amplifier”. De asemenea un atenuator şi un egalizor pentru nivelele semnalelor de RF, acestea fiind în multe cazuri module „plug-in”, deci se pot introduce sau extrage foarte uşor din locaţiile lor special destinate. Tot „plug-in” este şi modulul emiţător pentru calea inversă, care la fel de bine poate lipsi dacă nu este necesar şi viceversa, se poate insera foarte uşor la nevoie. În schemă mai apare şi un filtru diplex. Acesta este prezentat separat în figura VI.12.

LED de alarmă

Receptor optic

Punct de test pentru semnalul optic

recepţionat

Amplif RF Atenuator Egalizor Amplif RF

Punct de test RF la -30 dB

RF IN RF OUT

Tx pe cale inversă

Modul de Tx pe cale inversă

Intrare RF externă

(5-200 M

Hz)

Sursă alim. +Vdc

Punct de test

Cuplaj de intrare

Fig.VI.11. Schema bloc a unui nod optic pentru cazul unei singure intrări optice şi o singură ieşire de RF

F.O. OUT

F.O. IN

High PassFilter

Low PassFilter

De la receptorul opticpe calea directă

Către emiţătorul optic pe calea de revers (inversă)

Către/de la reţeaua coaxială

Fig.VI.12. Filtru diplex

Filtrele diplex sau diplexoare sunt folosite în nodurile optice ale unei reţele HFC sau alte aplicaţii pentru a realiza separarea căii directe de cea inversă, după cum se observă foarte bine din imaginea din figura VI.12, unde s-a reprezentat un diplex aşa cum este el simbolizat în scheme. Constructiv, este o intercalare între două filtre: trece sus şi trece jos. Fizic, el poate fi integrat printre componentele plăcii de

bază a nodului sau poate apărea ca un modul separat ce se poate introduce/extrage în/din slotul special destinat.

Există 2 tipuri mai des întâlnite de filtre diplex, în funcţie de standardul adoptat pentru transmisia combinată de semnale TV şi date şi anume: 5-42/54-870 (standardul american DOCSIS – Data over cable system interface specifications) şi 5-65/85-870 (EuroDOCSIS – varianta europeană). Luând ca exemplu varianta a doua, europeană, semnificaţia acestor cifre este următoarea: pentru semnalele din banda 85-870 MHz se permite trecerea pe calea directă, de la headend către client, iar pentru cele din intervalul 5-65 Mhz se admite trecerea lor prin filtru numai în sensul de la client către headend. În acest fel devine posibilă comunicarea bidirecţională între headend şi echipamentul montat la client. Mai există şi notaţia 65/85 sau 42/54, presupunându-se cunoscute limita inferioară a benzii pentru calea inversă şi limita superioară pentru calea directă. În afara celor două variante, a mai existat şi o alta, adoptată în unele ţări, anume 5-30/45-870, dar treptat, datorită cererii crescânde de servicii de date, s-a renunţat la aceasta.

Nod optic pentru aplicaţii FTTH (Fibre-To-The Home)

Fig.VI.13. Nod optic cu WDM integrat pentru a opera pe o singură fibră monomod. Un adaptor extern de

telefonie VoIP este disponibilă ca opţiune a clientului

Rx optic

Rx optic

Tx optic

IN/OUT optic

Ie45 – 862 MHz

RJ45 10/100 Mbps

La adaptor vocal

Alimc.a./c.c.

şire RF

entări

Această variantă de nod optic (figura VI.13) foloseşte o singură fibră pentru transportul semnalelor atât de pe calea directă (de la headend la client) cât şi de pe calea inversă (de la client la headend). Astfel de modele se pot monta fie pentru o zonă de locuinţe, caz în care avem situaţia denumită FTTC (Fiber-To-The Curb), fie chiar la locuinţa clientului pentru o calitate maximă a serviciilor, cazul cunoscut sub denumirea FTTH (Fiber-To-The-Home), deci fibra, cu toate atuurile ei, adusă la uşa clientului. Este compus din două secţiuni: - receptor de bandă largă ce operează la o anumită lungime de undă, de obicei 1550 nm; - transceiver Ethernet ce operează la 1310 nm; în acest fel este necesară doar o singură fibră pentru transmisia bidirecţională.

Pentru situaţia în care sunt necesare mai multe porturi Ethernet, se poate conecta un switch sau hub obişnuit la un astfel de nod optic. Mai trebuie făcută aici observaţia că datorită modularizării componentelor, mare parte din nodurile optice pot fi comandate având doar partea de recepţie montată, urmând ca ulterior să se poată face upgrade la un nod optic complet prin adăugarea unui modul emiţător de cale inversă.

VI.3. MANAGEMENTUL CĂII INVERSE: PROIECTARE ŞI UTILIZARE Industria CATV a răspuns la cererea de programe de televiziune interactive, în timp real sau, cum

întâlnim în literatură, „2-way”, cu tehnologia căii de întoarcere. Managementul căii inverse (de întoarcere) permite celui care vizionează să trimită informaţii de la un transmiţător poziţionat în interiorul set-top-box-ului (STB) din reşedinţa clientului către headend prin atingerea a câteva butoane de pe telecomanda televizorului. Această posibilitate poate avea loc datorită reţelelor HFC (hybrid fiber coax – reţea hibridă fibră optică+cablu coaxial) care vin în întâmpinarea cererilor de distanţe mari de transmisie necesare televiziunii pe cablu de azi. Reţelele HFC tipice, ilustrate în figura VI.14, folosesc cablu coaxial pentru distanţele de transmisie mai scurte dintre echipamentul video şi transmiţător sau dintre receptor şi televizorul clientului, în timp ce calea dintre transmiţător şi receptor foloseşte fibră monomod pentru extinderea distanţelor de transmisie. Chiar şi în aplicaţiile pe distanţe limitate, această combinaţie permite proiectantului să folosească cea mai ieftină soluţie pentru fiecare porţiune a reţelei. În reţelele HFC cu cale de întoarcere, ilustrate în figura VI.15, se aplică acelaşi principiu de proiectare a sistemului, dar acum avem o transmisie bidirecţională între locaţia clientului şi headend, permiţând un management interactiv al căii inverse. Semnalele de la headend sunt transportate pe o fibră optică SM (monomod), folosind fie transmiţătoare DFB (distributed feedback laser), fie FP (Fabry Perot), pe 1310 nm sau 1550 nm. Receptorul conţine un laser pentru calea inversă care trimite semnalele de la utilizator înapoi la headend.

În mod curent, tehnologiile de multiplexare cu divizarea lungimii de undă, ca DWDM sau CWDM, cresc distanţa de transmisie şi fiabilitatea sistemului.

Fig.VI.14. Reţea HFC tipică

Headend

Cablu coaxial

Cablu coaxial

Cablu coaxial

Cablu coaxial

Video server

F.O. monomod

Cablu coaxial

Provider local

CATV

Receptor o

EmiţătorSumator RF

Modulatorptic opticModulator

Fig.VI.15. Reţea HFC cu cale de întoarcere

Video server

Provider local

CATV

Modulator

Modulator

Sumator RF

Tx CATV

Spliter optic

Rx CATV

Spliter RF

Spliter RF

Rx CATV

Rx CATV cu modul de cale inversă

Rx CATV cu modul de cale inversă

Rx CATV

Rx CATV

Internet /servicii

VOD

Headend

Interactivitatea cu ajutorul căii inverse Managementul căii inverse suportă următoarele schimburi interactive: - Tranzacţii de plată sau comenzi: aceste comenzi ar putea consta într-un film „pay-per-view”

(plata se face pentru fiecare film în parte), cumpărături dintr-o reţea de livrări la domiciliu sau de la orice magazin ce este disponibil utilizatorului pe canalele de TV;

- Obţinerea datelor dintr-o bază de date centralizată: această acţiune se referă la informaţii meteo locale, ghiduri de TV şi selecţia filmelor „pay-per-view”;

- Răspunsuri pentru campaniile de cercetare a pieţei: utilizatorul îşi poate exprima părerea în cadrul a tot felul de scrutinuri;

- Jocuri: utilizatorul poate participa la jocuri ce au legătură cu show-urile televizate; - Îmbunătăţirea programelor: utilizatorul poate obţine mai multe informaţii despre un subiect din

programul de televiziune. Această interactivitate se aplică în mod special la documentare cu privire la natură, istorie, tehnologie;

- Rapoarte financiare despre ceea ce interesează clientul; - E-mail şi chat; - Canale de sport interactive: permite utilizatorului să privească la două meciuri simultan, să

aleagă unghiul camerei de luat vederi, să obţină statistici despre meciuri, update de scoruri; - Servicii de informaţii: se pot obţine informaţii despre călătorii, sporturi sau educaţie. Aceste

canale pot fi folosite pentru a promova oferte de vacanţă şi evenimente sportive. - Alegeri muzicale: se poate selecta un canal ce emite muzică de un anumit gen. Aceste canale pot

fi gratuite, cu plată per timp de ascultare sau „pay channel”. De asemenea sunt incluse în aceste canale informaţii despre artist, album şi uneori cum se poate cumpăra acel album.

Managementul semnalului pe calea de întoarcere Semnalul de pe calea inversă, care de obicei ocupă o bandă în intervalul 5-42 MHz îşi are originea

în reşedinţa clientului şi curge prin reţeaua de fibră către headend. Nivelul semnalului în reţea este determinat de nivelul de RF produs de către transmiţătorul conţinut de STB, PC card sau modem de cablu. Totuşi, când semnalul iese în afara locuinţei clientului, el va suferi pierderi în cabluri, splitere şi alte dispozitive ale reţelei de RF înainte de a ajunge la un amplificator. Mai departe, fiecare bucăţică are pierderi diferite, dar toate semnalele ce provin de la reşedinţele clienţilor ar trebui să sosească la amplificator la acelaşi nivel. Proiectarea căii inverse presupune determinarea nivelelor de semnal de pe

acest traseu. Semnalul care iese din amplificator va fi astfel încât câştigul pe calea inversă al fiecărei staţii de amplificare va fi echivalent cu pierderile de pe lungimea de cablu imediat următor. Când semnalul ajunge la nodul optic, el este apoi transportat pe fibra optică la headend. O dată ajunse aici, semnalele sunt convertite în RF de receptorul optic de cale inversă şi trimise la demodulatorul special desemnat pentru serviciul cerut de utilizator.

Căi de întoarcere cu WDM şi digitale Căi de întoarcere multiplexate Odată cu extinderea reţelelor ce folosesc scheme cu cale de întoarcere, posibilitatea de a transmite

în siguranţă date de mare viteză în banda de la 5 la 42 MHz devine mai dificilă. În zilele noastre, upgrade-urile la reţelele HFC se bazează pe DWDM. Aceste upgrade-uri, ca peste tot în industria fibrei optice, sunt determinate de cererea pentru mai multă lăţime de bandă şi o transmisie mai bună şi mai fiabilă. Schema de transmisie din figura VI.16 lucrează având un emiţător laser DFB sau FP ce operează fie pe 1310 nm, fie pe 1550 nm, la nodul optic pentru a transmite datele la un hub secundar. Aici datele modulează direct un emiţător laser DWDM folosind multiplexarea cu divizare în timp (TDM). Semnalul optic, folosind un multiplexor DWDM 1x4, este transmis pe fibra SM către headend. Aici se demultiplexează semnalul şi se transmite la 4 receptoare.

Cale de întoarcere digitală Folosind un convertor analog/digital, o cale de întoarcere analogică se transformă într-o cale de

întoarcere digitală. Convertorul A/D operează la 100 MHz cu o rezoluţie de 8-12 biţi. Semnalele digitizate sunt convertite într-un flux serial de biţi, cu o sincronizare adecvată la nod pentru a putea reface semnalul la ieşirea receptorului optic aflat în headend. La nod sau la hub-ul secundar, semnalele pot fi combinate folosind TDM. În mod curent, provider-ii de televiziune prin cablu folosesc două convertoare A/D pe 12 biţi pentru a modula transmiţătorul laser şi a produce un flux de date TDM de aproximativ 2,5

Dem

ux D

WD

M 4

can

ale Rx

Rx

Rx

Rx

EDFA

Mux

DW

DM

4 c

anal

e Tx

Tx

Tx

Tx

Rx Tx

Tx

Tx

Tx

Tx

Tx

Tx

Tx

Rx

Headend

Hub secundar

Rx

Rx

Rx

Rx

Rx

Rx

Noduri optice

40 km fibră SM

Fig.VI.16. HFC folosind DWDM

Gbps. Odată ce fluxul de date ajunge la headend, este demultiplexat şi deserializat. În etapa finală, fluxul de date va fi transmis la un convertor digital/analog (D/A). Calea de întoarcere digitizată oferă o serie de avantaje faţă de o cale de întoarcere analogică. Semnalele digitizate TDM sunt transparente într-o reţea DWDM, înţelegând prin aceasta că semnalele pot fi transmise prin reţea fără degradare. De asemenea, tehnicile de procesare a semnalelor digitale reduc degradarea.

VI.4. SISTEME DE TRANSPORT PE FIBRE MULTICANAL DIGITALE V/A/D Fibrele optice sunt acum mediul dominant pentru transmiterea terestră a semnalelor digitale, iar

sistemele digitale pe fibre sunt bine cunoscute pentru transportul de semnale de înaltă calitate video, audio şi de date. Sistemele trebuie să facă eficientă folosirea fibrei optice prin asigurarea transferului de canale multiple video şi audio pe o singură fibră. Un sistem digital funcţionând în cadrul unui domeniu digital trebuie să fie capabil să expandeze, insereze, ruteze şi să comute semnale într-o reţea în aşa fel încât performanţa audio şi video să nu fie afectată. O importanţă în creştere este proprietatea acestor sisteme de a accepta o varietate de formate de semnal şi de a se interfaţa cu reţelele de comunicaţii şi televiziune publice. Formatele de semnal pentru transmisiile video trebuie să includă codarea video la diferite nivele de acurateţe a digitizării, comprimarea video, imagini video de înaltă definiţie ca şi datele de mare viteză. Înţelegerea aspectelor privind multiplexarea, schemele de modulaţie şi sistemele digitale este importantă în vederea implementării unui sistem de transmisie multicanal.

Toate sistemele de transport video/audio/date au în comun un număr de elemente ce formează blocurile de bază din care este construit un astfel de sistem. Acestea includ: emiţătoare, receptoare, regeneratoare de semnal, repetoare, codere, decodere, switch-uri, modulatoare, amplificatoare, convertoare A/D şi D/A, splitere, combiner-e, care permit:

- semnalele să fie adăugate şi îndepărtate dintr-o reţea; - să utilizeze mici componente ale sistemului pentru distribuirea semnalului; - comutare A/B pentru protecţie cu circuit redundant; - interfeţe de date pentru controlul reţelei; - sincronizarea interfeţelor de ceas. Figura VI.17 ilustrează un sistem de transmisie digitală cu o ierarhie TDM (multiplexare cu

divizare în timp) pe două nivele.

Dis

pozi

tive

I/O

MUX de nivel înalt/ CODER VIDEO

MUX de nivel mic

M A G I S T R A L Ă

Tx optic

Rx optic

DEMUX de nivel înalt/ DECODER

VIDEO

DEMUX de nivel mic

MA G I S T R A L Ă

Dispozitive I/O

Tact (Clock)Intrare video Ieşire video

Fig.VI.17. Sistem digital cu o ierarhie TDM pe două nivele

La capătul de emisie, un coder digital converteşte semnalul video analog de intrare în date PCM. (vezi modulaţia digitală pentru detalii). Coderul conţine de asemenea un multiplexor cu divizare în timp, numit multiplexor de nivel înalt (high level mux), care creează un subcanal digital ce va fi multiplexat în timp cu datele video PCM. Acest multiplexor de nivel înalt/coder video va scoate la ieşire un flux de date şi un semnal de ceas folosit pentru sincronism. Aceste semnale intră apoi în transmiţătorul optic pentru codarea digitală de linie, modularea sursei de lumină şi o interfaţă către fibra optică de transmisie. Acest multiplexor de nivel înalt primeşte la intrare date de la un al doilea TDM, numit multiplexor de nivel mic (low level mux), care controlează o magistrală de date cu o varietate de semnale de intrare. La capătul de recepţie, un receptor optic converteşte semnalul din optic în electric şi face decodarea de linie şi refacerea tactului (ceasului). Datele PCM şi tactul refăcut sunt apoi trimise la un decodor video digital care va converti video digital înapoi într-un semnal analog. Decodorul video de asemenea conţine un demultiplexor de nivel înalt, care separă subcanalul şi îl trimite către un demultiplexor de nivel mic. La acesta din urmă, semnalele sunt demultiplexate şi puse înapoi pe magistrala de date unde sunt decodate către ieşirea sistemului.

VI.5. TRANSFER DE LA SATELIT ÎN BANDA L Cablul coaxial şi cele asemănătoare (coaxial cu cupru la exterior sau tub de aluminiu) sunt în mod

tradiţional specifice aplicaţiilor de transmisie RF. Deşi funcţionale, ele au neajunsuri mari. Cablurile din cupru coaxial sunt voluminoase şi grele, conduc electricitatea şi au o lăţime mică de bandă ceea ce limitează serios distanţa maximă utilizabilă. Transmisia RF pe fibră optică elimină toate aceste deficienţe. Cablul de fibră cântăreşte mai puţin decât cel coaxial şi de când fibrele monomod au doar în jur de 0,2 – 0,4 dB pierderi de semnal pe un kilometru de fibră, o antenă poate fi situată la kilometri distanţă faţă de receptor sau emiţător. În plus, proprietăţile dielectrice ale fibrei previn datele transportate de eventuale interferenţe. Transportul pe fibre optice al semnalelor de satelit poate fi folosit într-o serie de aplicaţii, printre care: transportul de la antena de satelit aflată la distanţă către headend-ul broadcaster-ului, aplicaţii de uplink şi downlink, servicii DBS.

Reţea de la antene satelit la headend Operatorii folosesc legături de transport pe fibră optică pentru transmiterea semnalelor RF de la

parabola antenei de satelit aflată la distanţă către headend-ul propriu. Datorită locaţiei îndepărtate a unor antene, echipamentul de transport în banda L trebuie să poată lucra într-o gamă variată de medii naturale. Calitatea semnalului este asigurată de obicei prin intermediul mijloacelor de control al câştigului, fie manual, automatic sau fix. În unele cazuri se folosesc variante de monitorizare de la distanţă şi control, folosind mijloace SNMP (Simple Network Management Protocol) pentru a supraveghea parametrii, ca: nivelul semnalului de RF, puterea de ieşire optică, setările pentru câştig, starea dispozitivelor. Adesea este folosit un sistem redundant optic şi/sau RF şi mai multe antene pentru a proteja sistemul de distribuţie de posibilele efecte dăunătoare ale mediului ambiant. Figura VI.18 ilustrează un sistem redundant optic, iar a următoarea figură (VI.19) un semnal redundant RF.

Fig.VI.18. Sistem satelit cu redundanţă optică

Spliter RF

… Tx optice

(unul per satelit)

Tx optice (unul per satelit)

Comutatoroptic A/B

Rx optice (unul per satelit)

…Receptoare de satelit la headend

Antene satelit Cale primară de semnal optic

Cale secundară de semnal optic

Fig.VI.19. Sistem satelit cu redundanţă RF

Tx optice (unul per satelit)

Comutator RF(unul per canal)

…

…

Tx optice (unul per satelit)

Rx optice (unul per satelit)

Rx optice (unul per satelit)

Antene satelit

Antene satelit

Cale primară de semnal

Cale secundară

Ieşire RF

Aplicaţii uplink şi downlink Sistemele cu antene satelit sunt rar unidirecţionale. Uplink-urile de IF (înaltă frecvenţă) folosesc

modemuri la headend pentru a transmite semnalele de IF la parabola antenei aflată la distanţă, în timp ce downlink-urile transportă semnalele RF de la antena satelit la headend. Semnalele IF sunt de obicei în gama 10-200 MHz. Figura VI.20 ilustrează o aplicaţie uplink/downlink tipică.

Fig.VI.20 Aplicaţie uplink/downlink tipică

Sistem de transport semnale satelit

4 receptoare optice 4 emiţătoare optice

Sistem de transport semnale satelit

4 emiţătoare optice 4 receptoare optice

Modemuri pentru satelit în headend

Receptoare de satelit în headend

8 fibre SM Sistemul DBS O instalaţie tipică DBS (direct broadcast satellite – distribuţie directă din satelit) foloseşte câţiva

sateliţi. Acest lucru este necesar deoarece fiecare satelit poate transmite doar un număr mic de canale. Pentru a transmite 500 de canale, de exemplu, provider-ul DBS ar putea avea nevoie de mai mulţi sateliţi. Aceşti sateliţi păstrează o orbită geosincronă deasupra ecuatorului şi acoperă emisfera de nord, din Statele Unite până în partea de nord a Americii de Sud. Indiferent de numărul de sateliţi necesari într-un sistem, configurarea căii de semnal este aceeaşi. Figura VI.21 prezintă calea de semnal.

Fig.VI.21. Distribuţia de semnal DBS

Tx optic bandă L

Rx opticbandă L

Amplif de bandă largă

Spliter RF1 x 8 Fibră SM

Gama standard de frecvenţe LNB

(950 – 2200 MHz)

Aplicaţii pentru un sistem de transport în bandă L Semnalele recepţionate sunt convertite de LNB-ul montat la parabola antenei în semnale în bandă

L, ceea ce permite semnalului de microunde să fie transportat pe o distanţă considerabilă. Trimiterea unui semnal de 12 GHz pe cablu de cupru coaxial duce la pierderi extrem de mari; oricum, după ce este convertit la 2 GHz (frecvenţa benzii L), acelaşi semnal poate fi transmis pe cupru coaxial la zeci de metri înainte ca pierderile să producă o degradare prea mare. Figura VI.22 ilustrează această aplicaţie. Este prezentată o configuraţie redundantă, unde emiţătoarele şi receptoarele de back-up sunt conectate la un switch (comutator) A/B. În eventualitatea unei căderi a căii primare, switch-ul va activa calea secundară, menţinând reţeaua funcţională.

Transmisia de pe satelit în bandă L îşi găseşte aplicaţii în MDU’s (multi-dwelling units – unităţi multi-încăpere) cum ar fi blocurile de apartamente, dormitoare ale colegiilor, etc via un amplificator de bandă largă şi un spliter de RF. Figura VI.23 ilustrează o aplicaţie MDU. Emiţătorul optic acceptă la intrare direct ieşirile de la LNB în gama 950 la 2200 MHz. Semnalul de RF este convertit în semnal optic

Două transmiţătoareîn banda L (redundant)

Headend #1

Fibra A

Fibra B

Două receptoare în banda L (redundant)

Headend #2

Ieşire RF

Fig.VI.22. Redundanţa căilor

Spliter RF 1x 2

Spliter RF 1x 2

şi transmis la receptorul optic. Ieşirea de RF a receptorului este apoi conectată la intrarea unui amplificator distribuitor de bandă largă şi alimentează un spliter RF 1x24. De la spliter, până la 24 de semnale pot fi distribuite la 24 de receptoare TV sau set-top-box-uri.

tic

...

VI.6. MEDIA CONVERTOARE După cum le trădează şi denumirea, aceste componente ale reţelelor cu fibre optice sunt puntea de

tranzit între două medii diferite de transport al informaţiei. Media convertoarele sunt folosite pentru a oferi o soluţie convenabilă pentru convertirea şi transmiterea datelor între medii Ethernet diferite - cuprul şi reţelele pe fibre optice. În cazul nostru vom face o scurtă trecere în revistă a tipurilor cele mai uzuale de media convertoare între fibra optică şi alte medii. Media convertoarele sunt destinate să conecteze:

- 10/100Base-Tx/100Base-Fx – perechi răsucite la fibre într-o reţea Fast Ethernet (802.3μ), conector RJ45 cu 100 m;

- 10Base-FL/10Base-T - perechi răsucite la fibre într-o reţea Ethernet (802.3), conector RJ45 cu 100 m;

- 10Base-FL/10Base-2 – cablu coaxial la fibre într-o reţea Ethernet (802.3), conector BNC cu 185 m;

- Token ring cu fibre (802.5J), conector RJ45; - ATM OC3 155Mbps - perechi răsucite la fibre, conector RJ45 cu 100 m; - fibră mutimod/fibră monomod, pentru conectarea unei reţele publice de mare viteză pe

monomod cu reţeaua locală realizată pe multimod; este posibilă transmiterea diferitelor protocoale ca Ethernet, Fast Ethernet, FDDI, Fibre Channel şi ATM, la 40/155/622 Mbps, maxim 70 km;

Tx optic bandă L

Split

er o

p

.

Rx optic bandă L

Spliter RF

Rx optic bandă L

. Spliter RF

.

.

.

Fig.VI.23. Aplicaţie MDU

- MM/SM, ca la varianta anterioară, dar în acest caz se permite conectarea echipamentelor de comunicaţie cum sunt switch-uri, routere şi centrale digitale pe fibre monomod la mari distanţe în cadrul MAN-urilor şi WAN-urilor; sunt posibile mai multe protocoale ca Gigabit Ethernet, Fibre Channel, ATM OC-12 la 1,25 Gbps, maxim 100 km;

- placă adaptoare PC - FO, 10/100Base-Tx/100Base-Fx, permite conectarea cablurilor de fibră optică direct la un sistem de calcul PC; rezultă deci posibilitatea de a conecta la 200 Mbps până la 2 km distanţă în modul full duplex, odată cu îmbunătăţirea securităţii datelor; fiind dispozitive „plug & play” pentru slotul PCI de obicei, instalarea lor este foarte simplă;

- minihub-uri ce permit conectarea unui număr de dispozitive RJ45 sau BNC şi fibra optică; - transceiver Ethernet 802.3 - placă adaptoare PC cu conector AUI (D-SUB cu 15 pini)/10Base-

FL; - transceiver RS-232 (D-SUB cu 9 pini)/fibră optică; - etc În principiu, modulele multimod suportă distanţe de până la 2 km, iar cele monomod de ordinul a

zeci de km, în funcţie de puterea laserului. Mai jos (tabelul VI.3) este prezentat un exemplu de ofertă pentru media convertoare:

Conector Diametru miez

(μm) Diametru înveliş

(μm) Lungime de undă

(nm) Distanţă acoperită

(km) SC 50 125 850 2 ST 62,5 125 1310 15 SC 9 125 1550 30

Tabelul VI.3. Exemplu de ofertă pentru media convertoare

Media convertoarele pot fi întâlnite în variantele:

- cu două fibre, caz în care o fibră este folosită pentru emisie, iar cealaltă pentru recepţie; - cu o singură fibră, caz în care emisia/recepţia se fac pe frecvenţe diferite, iar achiziţionarea lor se

face în pereche (câte două media convertoare, care se pot „înţelege” una cu alta). Mai jos este prezentat un exemplu de folosire a media convertoarelor pe o singură fibră, în situaţia culegerii semnalului de la o antenă satelit aflată la distanţă de receptorul satelit (figura VI.24).

Fig.VI.24. Aplicaţie cu media convertoare

Tx

Sursă

Fibră SM

Rx

Sursă

Receptor satelit Vcc Vcc

RF

Vcc

RF

LNC (Low Noise Converter –

Convertor de zgomot redus)

(c.c. cuplat prinjumper intern)

VI.7. TEHNOLOGII DE COMUNICAŢIE PE FIBRE OPTICE Modul de transfer folosit aproape exclusiv în reţelele optice este cel orientat pe conexiune,

specific comutării de circuite. Comutarea de pachete necesită luarea deciziilor de rutare în fiecare nod şi la fiecare pachet care soseşte. Acest lucru necesită memorarea pachetelor, citirea şi prelucrarea antetelor, ceea ce nu se poate face deocamdată în domeniul optic. Prin urmare, comutaţia de pachete necesită conversia din optic în electric, prelucrarea în electric şi reconversia în optic. O astfel de reţea nu mai este transparentă optic şi prezintă dezavantajele cunoscute de la reţelele electrice: congestie, viteză mică de transfer, flexibilitate redusă etc.

Toate reţelele implică acelaşi principiu de bază: informaţia poate fi trimisă la…, partajată cu…, trecută prin…, şuntată (bypassed) în limitele unui număr de staţii computerizate (noduri) şi a unui computer master (serverul). În plus faţă de diferitele topologii pentru reţele, o serie de standarde şi protocoale au fost dezvoltate, fiecare cu propriile avantaje, topologii şi cerinţe de mediu. Acest subcapitol discută pe scurt aceste standarde şi protocoale, incluzând aici: ATM, Ethernet, FDDI, Fibre Channel, ISDN şi SONET.

VI.7.1. MODUL DE TRANSFER ASINCRON - ASYNCHRONOUS TRANSFER MODE (ATM) Modul de transfer asincron este larg dezvoltat ca o tehnologie pentru trunchiurile reţelei. Această

tehnologie se integrează uşor cu alte tehnologii şi oferă un management al reţelei sofisticat ce permite purtătoarelor de semnal să garanteze calitatea serviciului (QOS - quality of service). ATM este de asemenea referită ca un schimb de celule deoarece reţeaua foloseşte pachete sau celule scurte şi de lungime fixă pentru transportul datelor. Informaţia este împărţită în celule diferite, transmisă şi reasamblată la capătul de recepţie. Fiecare celulă conţine 48 octeţi de date utile şi un header de 5 octeţi. Această dimensiune fixă asigură ca datele video sau voce, critice în timp, să nu fie afectate de cadre sau pachete lungi de date, reducând astfel întârzierile. ATM organizează diferite tipuri de date în celule separate, permiţând utilizatorilor reţelei şi reţelei înseşi să determine câtă lăţime de bandă este alocată. Această modalitate se aplică cu succes în special în reţelele cu transmisii de date în rafale. Fluxurile de date sunt apoi multiplexate şi transmise între utilizator şi serverul reţelei şi între comutatoarele reţelei. Aceste fluxuri pot fi transmise la mai multe destinaţii diferite, reducând cerinţele pentru interfeţe de reţea şi facilităţi de reţea şi la urmă, costul total al reţelei. În cadrul reţelelor ATM întâlnim conexiuni de cale virtuală (VPC - virtual path connections) care conţin mai multe conexiuni de circuite virtuale (VCC - virtual circuit connections). Circuitele virtuale nu sunt altceva decât conexiuni cap-la-cap, cu definirea punctelor de extrem şi a rutelor dar fără a defini alocarea pentru lăţimea de bandă. Banda este alocată în funcţie de necesarul cerut de reţea. VCC poartă un singur flux de celule de date continue de la utilizator la utilizator. Pot fi configurate ca statice, conexiuni virtuale permanente (PVC - permanent virtual connections) sau circuite virtuale comutate controlate dinamic (SVC). Când conexiunile de circuite virtuale sunt combinate în cadrul căilor virtuale, toate celulele dintr-o cale virtuală sunt rutate pe acelaşi drum, permiţând refacerea reţelei în eventualitatea unei defecţiuni majore.

VI.7.2. ETHERNET Ethernetul a început ca un experiment de laborator la Corporaţia Xerox în anii 1970. Proiectanţii

au intenţionat ca Ethernetul să devină o parte a “biroului viitorului” care includeau staţii de lucru cu calculatoare personale. Larg răspândit în LAN-urile de azi, Ethernetul transmite la 10 Mbps folosind perechi răsucite (twisted-pair), cablu coaxial şi/sau fibră optică. Fast Ethernet (Ethernetul rapid) lucrează la 100 Mbps şi ultimul standard dezvoltat, gigabit Ethernet, transmite la 1 Gbps. Figura VI.25 ilustrează schema de bază a unei reţele Ethernet.

TERMINATOR

Interfaţă şi controler Ethernet

Tx/Rx

Fibră optică sau perechi răsucite

Staţii de lucru

TERM

INA

TOR

ETER

ETER

Fig.VI.25. Schema de bază a unei reţele Ethernet

Standardul Ethernet cunoscut ca IEEE 802.3 foloseşte un protocol numit acces multiplu prin

sesizarea purtătoarei cu detecţia coliziunilor (CSMA/CD). Acest protocol descrie funcţiile celor trei părţi de bază ale unui sistem Ethernet: mediul fizic - transportă semnalul, controlul accesului la mediu – controlează semnalul şi cadrul Ethernet – un set de biţi standardizat folosit pentru a transporta semnalul. Ethernet, fast Ethernet şi gigabit Ethernet, toate folosesc aceeaşi platformă şi structură de cadru. Utilizatorii Ethernetului au trei variante pentru mediul fizic. La 1-10 Mbps reţeaua poate transmite pe cablu coaxial gros, perechi răsucite sau fibră optică. Fast Ethernet la 100 Mbps nu va transmite pe coaxial, dar pot fi folosite perechile răsucite şi fibra optică. Gigabit Ethernet, cu debite de date mari şi distanţe de transmisie mai mari, foloseşte legături pe fibră optică, dar poate utiliza şi perechile răsucite pentru conexiuni scurte. CSMA/CD reprezintă cel de-al doilea element, regulile de control al accesului. În cadrul acestui protocol, toate staţiile trebuie să rămână tăcute un timp pentru a verifica dacă nici o staţie din reţea nu transmite, înainte de a începe o transmisie proprie. Dacă o altă staţie începe transmisia, celelalte staţii vor sesiza prezenţa purtătoarei de semnal şi vor rămâne tăcute. Toate staţiile partajează acest protocol multiacces. Totuşi, deoarece nu toate staţiile vor recepţiona o transmisie simultan, este posibil ca o staţie să înceapă să emită în acelaşi moment cu o altă staţie. Acest lucru determină o coliziune de semnale, ce va fi detectată în reţea şi va face ca staţiile să rămână din nou tăcute până când accesul va fi câştigat, moment la care cadrul de date va fi retrimis în reţea. Elementul final, cadrul Ethernet, livrează datele între staţiile de lucru în baza unei surse pe 48 de biţi şi unui câmp de adresă destinaţie. Cadrul Ethernet include de asemenea un câmp de date ce variază în dimensiune în funcţie de transmisie şi un câmp de corectare a erorilor care verifică integritatea datelor recepţionate. Odată un cadru trimis, fiecare interfaţă de staţie Ethernet va citi câmpul adresă şi o va compara cu adresa proprie. Dacă adresele se potrivesc, staţia citeşte tot cadrul, dar dacă nu, interfaţa opreşte citirea cadrului.

Ethernet-ul la toate debitele binare a devenit reţeaua cu cea mai largă răspândire pentru aplicaţii LAN, MAN şi WAN. Proprietatea sa de a interfaţa cu SONET şi ATM va continua să susţină această populară reţea. În LAN-uri, legăturile Ethernet oferă un trunchi scalabil. Ca trunchi metropolitan în MAN-uri, gigabit Ethernet interfaţează cu sistemele DWDM, rezultând reţele de comunicaţii pe distanţe mari, de viteze mari şi de bandă largă. În sfârşit, Ethernet-ul suportă toate tipurile de trafic de date, incluzând aici date, voce şi video IP. Figura VI.26 ilustrează un scenariu Ethernet tipic.

Fig.VI.26. Reţea gigabit Ethernet comutată şi rutată

Fibră optică

Gigabit Ethernet a apărut ca o alternativă din punct de vedere al costului la structurile de reţea

ATM. Complexitatea sistemului este mai redusă în Ethernet-ul gigabit şi pentru că el lucrează cu formatele Ethernet deja existente, sistemul nu necesită software de emulare pentru a acţiona ca un gateway între un LAN Ethernet şi o reţea ATM. Tabelul VI.4 schiţează în ce măsură Ethernet şi gigabit Ethernet oferă aceleaşi beneficii ca ATM .

Beneficiu ATM Ethernet/Fast Ethernet Gigabit Ethernet

Cap-la-cap x x Scalabil x x Orientat pe conexiune x x Calitatea serviciului x x Cost redus x x Interoperabilitate x x Standarde x x Software x x Uşurinţa de integrare x x

Tabelul VI.4. Beneficii oferite de ATM şi Ethernet.

VI.7.3. FIBER DISTRIBUTED DATA INTERFACE (FDDI) – INTERFAŢA DE DATE DISTRIBUITĂ FDDI îşi găseşte locul de obicei ca un trunchi de mare viteză pentru situaţii critice sau trafic mare

din LAN, MAN, WAN. Operând la 100 Mbps, FDDI a fost proiectat iniţial pentru transmisii pe fibră optică. O reţea FDDI neîntreruptă se poate întinde până la 100 km cu noduri până la 2 km distanţă la fibrele multimod şi 10 km la fibrele monomod. Oricum există şi un standard pe cupru, deşi este restricţionat la distanţe de doar 100 m.

Fig.VI.27. Topologie inel duală Punctul tare al FDDI este înalta sa fiabilitate, rezultat al topologiei în inel cu dublu sens ilustrată

în figura VI.27. O staţie dublu ataşată conectează cele două căi, astfel: prin portul A - calea primară, iar prin portul B – calea secundară. Portul A poate de asemenea să aibă un număr de M porturi prin care se ataşează la staţii singulare cum ar fi un computer. Informaţia circulă în jurul inelului FDDI cu ajutorul unui jeton generat de staţia principală. Jetonul se mişcă în cadrul inelului până când se cere acces la reţea. Când o staţie vrea să transmită informaţii, ea preia controlul jetonului, transmite cadrele FDDI, după care eliberează jetonul şi semnalizează că şi-a terminat transmisia. Fiecare cadru FDDI conţine adresa staţiei sau staţiilor care trebuie să recepţioneze acest cadru. Dacă adresa nodului şi adresa cadrului FDDI se potrivesc, staţia extrage datele din cadru şi apoi îl retransmite la următorul nod din inel. Când cadrul se întoarce la staţia de origine, aceasta îl dezintegrează şi reţeaua rămâne tăcută până când un alt nod capturează jetonul. A doua generaţie, FDDI-2, încă nepusă la punct sub toate aspectele, suportă transmisia de voce şi informaţie video la fel ca şi datele. Ea foloseşte o configuraţie de circuit comutat în care o cale fizică este obţinută şi dedicată unei singure conexiuni între două extremităţi din reţea, pe durata conexiunii. În plus, o altă variantă de FDDI, numită „FDDI full duplex technology” (FFDT) foloseşte aceeaşi infrastructură de reţea dar poate dubla debitul de date. Dacă al doilea inel nu este necesar pentru backup, el poate de asemenea să transporte date, extinzând capacitatea reţelei la 200 Mbps. Se lucrează pentru a conecta reţelele FDDI la reţelele în plină dezvoltare SONET/SDH.

VI.7.4. FIBRE CHANNEL (CANAL DE FIBRĂ) Canalul de fibră este un protocol de comunicaţie între sisteme de calcul, destinat să îndeplinească

cerinţele unui transfer de informaţie de înaltă performanţă. Scopurile canalului de fibră includ: - dezvoltarea unor mijloace practice, ieftine, dar expandabile de transfer rapid de date între staţii de lucru, mainframe-uri, supercomputere, dispozitive de stocare, sisteme de afişaj şi alte periferice; - mai multor protocoale de reţea rulează pe aceeaşi interfaţă fizică; - lăţime mare de bandă (peste 100 Mbps); - topologii flexibile; - conectivitate pe câţiva kilometri; -suport pentru mai multe debite binare, tipuri de mediu şi conectori. Există două tipuri de bază de comunicaţii de date între procesoare şi între procesoare şi periferice: canale şi reţele. Un canal este un mecanism închis, direct, structurat şi predictibil pentru transmiterea datelor între relativ puţine entităţi. El oferă o conexiune punct-la-punct directă sau comutată între dispozitivele care

comunică. Odată ce un canal a fost stabilit, este nevoie doar de mici decizii de luat, astfel determinând un mediu intensiv hardware ce va putea transporta datele cu viteze mari. Canalele sunt folosite de obicei pentru a conecta dispozitive periferice, cum ar fi discurile pentru stocare (de orice natură), imprimante, dispozitive de stocare cu bandă magnetică, etc la o staţie de lucru. Protocoalele pentru canal cele mai cunoscute sunt SCSI (Small Computer System Interface) şi HIPPI (High Performance Parallel Interface). Prin contrast, reţelele sunt însumări de noduri distribuite (staţii de lucru, servere de fişiere sau periferice) cu un protocol propriu ce suportă interacţiunea dintre aceste noduri. Ele sunt nestructurate şi nepredictibile. Reţelele sunt capabile să se ajusteze automat la modificările mediului de transmisie şi pot suporta un mare număr de noduri conectate. Aceşti factori solicită un mare număr de decizii ce se iau în scopul dirijării cu succes a datelor de la un punct la altul. Reţelele sunt software-intensive şi deci luarea deciziilor le face mai încete decât canalele. Exemple de reţele obişnuite ar fi: Ethernet, Token Ring, Fiber Distributed Data Interface. Deşi este numită Canal de fibră (Fibre Channel), arhitectura sa nu reprezintă nici un canal, nici o topologie de reţea. Permite o schemă activă de interconexiune inteligentă, numită Fabric (Ţesătură) pentru a lega dispozitive. Tot ceea ce trebuie să facă un port de Canal de fibră este să dirijeze o conexiune simplă punt-la-punct între el şi Ţesătură. În general, Canalul de fibră încearcă să combine ce este mai bun din cele două metode de comunicaţie într-o nouă interfaţă I/O care întruneşte cerinţele utilizatorilor variantei cu canal şi ale celei cu reţele. Canalul de fibră este cea mai uşoară şi mai fiabilă soluţie pentru stocarea informaţiei şi recuperarea datelor. S-a ajuns la viteze suportate de 4 Gbps şi se păstrează compatibilitatea cu sistemele mai vechi, la 2 sau 1 Gbps. Din punct de vedere al limitărilor, datele sunt livrate pe cât de repede poate să le recepţioneze buffer-ul destinaţie. Comparat cu SCSI tradiţional, beneficiile introducerii setului de comenzi SCSI în Canalul de fibră sunt legate de: - viteze mai mari; - mai multe dispozitive pot fi conectate împreună; - distanţe mai mari sunt permise între dispozitive. La momentul actual, SCSI şi IP sunt într-o foarte mare măsură singurele folosite pe Canalul de fibră, făcându-l atractiv pentru aplicaţii ca multimedia, imagini pentru medicină şi vizualizare ştiinţifică.

TOPOLOGII ALE CANALULUI DE FIBRĂ

Canalul de fibră defineşte 3 topologii, numite Punct-la-Punct, Buclă arbitrată şi Ţesătură (Fabric). Fiecare dintre acestea sunt descrise mai jos.

Punct-la-Punct Topologia punct-la-punct este cea mai simplă din cele trei. Ea constă din două şi numai două dispozitive ale Canalului de fibră conectate împreună în mod direct (figura VI.28). Emisia unui dispozitiv merge la recepţia celuilalt dispozitiv şi viceversa. Nu există nici o partajare de mediu ceea ce permite dispozitivelor să beneficieze de toată lăţimea de bandă a legăturii. Este necesară o simplă iniţializare a legăturii din partea celor două dispozitive înaintea începerii comunicaţiei.

Fig.VI.28. Canal de fibră – punct-la-punct

Buclă arbitrată Bucla arbitrată a devenit topologia cea mai dominantă de Canal de fibră, dar este de asemenea cea

mai complexă. Este un mod eficient de a conecta până la 127 de porturi într-o singură reţea fără a fi nevoie de un comutator. Spre deosebire de celelalte două topologii, mediul fizic este partajat între dispozitive, limitând accesul fiecărui dispozitiv (figura VI.29).

Fig.VI.29. Canal de fibră – buclă arbitrată

Bucla arbitrată nu este o schemă cu jeton călător. Când un dispozitiv este gata să transmită date, el trebuie mai întâi să arbitreze şi să câştige controlul Buclei. El face acest lucru transmiţând un semnal, numit Arbitrate Primitive Signal (ARBx – semnal primitiv de arbitraj), unde „x” este adresa fizică a buclei arbitrate (Arbitrated Loop Physical Address - ALPA), proprie dispozitivului. Odată ce un dispozitiv recepţionează propriul ARBx, înseamnă că el a obţinut controlul Buclei şi acum poate comunica cu alte dispozitive prin transmiterea unui semnal Open Primitive Signal (OPN – Semnal primitiv de deschidere). După transmiterea şi acestui semnal, va exista o comunicare punct-la-punct între cele două dispozitive. Toate celelalte dispozitive intermediare doar repetă datele. Dacă mai mult de un dispozitiv din Buclă arbitrează în acelaşi timp, se compară valorile „x” ale semnalelor ARB. Când un dispozitiv de arbitraj recepţionează ARBx-ul altui dispozitiv, ARBx-ul cu ALPA mai mic este trecut mai departe, în timp ce ARBx-ul cu ALPA mai mare este blocat. Astfel, dispozitivul cu ARBx cu valoare mai mică va câştiga controlul Buclei. După ce acest dispozitiv eliberează controlul Buclei, celălalt dispozitiv va încerca din nou. Spre deosebire de schemele cu jeton călător, nu există nici o limită pentru cât de mult poate reţine un dispozitiv controlul Buclei. Acest lucru demonstrează aspectul de „canal” al Canalului de fibră. Există totuşi un algoritm de acces corect, care nu permite unui dispozitiv să arbitreze din nou până când toate celelalte dispozitive au avut şansa să arbitreze. Dar acest algoritm de acces corect este opţional.

Fabric (Ţesătură) Topologia Fabric este folosită pentru a conecta multe dispozitive (224) într-o configuraţie

comutată. Beneficiul acestei topologii este că mai multe dispozitive pot să comunice în acelaşi timp; mediul nu este partajat. Bineînţeles este necesar un comutator (figura VI.30).

Fig.VI.30. Canal de fibră – Fabric (Ţesătură)

Alte funcţii ale topologiei Fabric sunt server multicast (la mai multe dispozitive), server broadcast (la toate dispozitivele), server pentru nume (alias server), facilitare pentru calitatea serviciului (quality of service) şi server de directoare. Unele topologii Fabric au porturi speciale ce permit buclelor arbitrate să fie conectate la Fabric. În ciuda numelui, Canalul de fibră poate rula pe suport de cupru sau fibră. Viteze până la 100 Mbps se pot susţine atât pe cupru cât şi pe fibră; 200 Mbps şi 400 Mbps necesită mediul de fibră. Pentru cupru cel mai folosit este cablul STP (shielded twisted pair).

VI.7.5. REŢEA DIGITALĂ CU INTEGRAREA SERVICIILOR (INTEGRATED SERVICES DIGITAL NETWORK - ISDN)

ISDN a fost gândit să înlocuiască sistemul telefonic standard şi să ofere un număr mare de servicii

clienţilor, cum ar fi: audio digital, servicii de informaţii interactive, fax, e-mail, video digital. ISDN foloseşte modul de transfer asincron care poate manipula transmisia de date în scheme orientate pe conexiune. Ca şi în liniile telefonice obişnuite, utilizatorul trebuie să plătească o taxă pentru folosirea liniei. Accesul de bază ISDN sau BRI oferă două canale de date de 64 kbps fiecare şi un canal de 16 kbps pentru semnalizări şi control. Debitul de date combinat de 128 kbps oferă posibilităţi pentru videoconferinţe. Mai multe conexiuni ISDN-B cresc mai mult debitul de date şi calitatea transmisiei. Debitul primar ISDN (PRI) oferă 30 de canale cu 64 kbps fiecare, rezultând un total de 1920 kbps. Ca şi la BRI, fiecare canal poate fi conectat la o destinaţie diferită sau pot fi combinate pentru a rezulta o lăţime de bandă mai mare. Aceste canale cunoscute ca „purtătoare” („Bearer”) sau canale B, dau ISDN-ului o foarte bună flexibilitate. Versiunea originală de ISDN foloseşte transmisia în banda de bază. O altă versiune numită B-ISDN foloseşte transmisie de bandă largă, foloseşte modul de transfer asincron (ATM) şi poate suporta debite de transmisie de 1,5 Mbps, necesitând cabluri de fibră optică.

VI.7.6. REŢEAUA OPTICĂ SINCRONĂ (SYNCHRONOUS OPTICAL NETWORK - SONET)

SONET este un standard al ANSI (American National Standards Institute) pentru transmisii de

date sincrone pe medii optice. Echivalentul european al SONET-ului este ierarhia digitală sincronă (synchronous digital hierarchy - SDH). SONET oferă standarde pentru debite de linie de până la 39,808 Gbps. SONET este considerat a fi fundaţia pentru nivelul fizic al B-ISDN. Modul de transfer asincron funcţionează ca un nivel deasupra SONET-ului, ca şi deasupra altor tehnologii. Reţeaua defineşte nivele de purtătoare optice şi echivalentele lor electrice, numite semnale de transport sincron (STS) pentru transmisia pe fibră optică. Primul pas constă în generarea nivelului cel mai de jos sau semnalul de bază, numit STS-1, iar acestea se multiplexează pentru a forma următorul nivel. Purtătoarea optică pentru STS-1 este numită OC-1 şi se transmite la 51,480 Mbps. Alte nivele operează de la 155 Mbps la 40 Gbps. Elementele de bază ale unei astfel de reţele sunt: - multiplexor terminal (PTE); - regenerator (necesar transmisiilor pe distanţe lungi); - multiplexor add-drop (ADM) – se foloseşte în configuraţii punct-la-multipunct; - comutator digital de traversare de bandă largă; Aceste elemente pot fi folosite în configuraţii punct-la-punct, punct-la-multipunct (hub), reţea inel. Figura VI.31 ilustrează o configuraţie de reţea de tip hub.

SONET-ul oferă o serie de avantaje faţă de sistemele asincrone. Tehnica sa de multiplexare permite o tactare sincronă simplificată. Configuraţia de tip hub adaugă o bună flexibilitate sistemului, permiţând convergenţa unor protocoale de reţea, ATM, IP.

Fig.VI.31. Reţea SONET de tip hub

Comutatordigital pentru inter-

conexiune