Sieci transportu danych
Część 2: Sieci Optyczne

Sieci Optyczne - Wprowadzenie

1/40
  • Witamy w części drugiej cyklu "Sieci Transportu Danych".
  • Tematem są technologie światłowodowe (Optical Networks).
  • Omówimy fizykę transmisji światła, rodzaje włókien i zjawiska optyczne.
  • Przeanalizujemy technologie WDM / DWDM.
  • Szczegółowo zajmiemy się sieciami dostępowymi PON (GPON, GEPON).
  • Zrozumiemy, jak działają urządzenia OLT i ONT oraz splittery.
Slide 1

Fizyka światła: Zjawisko refrakcji

2/40
  • Światło to fala elektromagnetyczna o określonej częstotliwości.
  • Refrakcja (załamanie) występuje, gdy światło przechodzi między ośrodkami o różnej gęstości optycznej.
  • Współczynnik załamania światła (n) określa prędkość światła w ośrodku (n = c/v).
  • Prawo Snella opisuje kąt załamania.
  • Kluczowe dla działania światłowodu jest Całkowite Wewnętrzne Odbicie (Total Internal Reflection).
Slide 2

Budowa światłowodu

3/40
  • Rdzeń (Core): Centralna część, w której biegnie światło (szkło krzemionkowe domieszkowane).
  • Płaszcz (Cladding): otacza rdzeń, ma mniejszy współczynnik załamania (n2 < n1), co powoduje odbicie światła z powrotem do rdzenia.
  • Powłoka ochronna (Coating/Buffer): chroni włókno przed wilgocią i uszkodzeniami mechanicznymi (zwykle 250 µm).
  • Dodatkowe warstwy: włókna aramidowe (Kevlar) i płaszcz zewnętrzny (Jacket).
Slide 3

Światłowody Wielomodowe (MMF)

4/40
  • Posiadają gruby rdzeń (50 µm lub 62.5 µm).
  • Umożliwiają propagację wielu modów (ścieżek) światła.
  • Źródło światła: LED lub VCSEL (tanie rozwiązanie).
  • Wady: dyspersja modowa (rozmycie sygnału), duże tłumienie.
  • Zastosowanie: sieci LAN na małe odległości (do kilkuset metrów).
  • Standardy: OM1 (pomarańczowy, 62.5), OM2, OM3 (turkusowy, 50, laser), OM4 (fioletowy), OM5 (limonkowy).
Slide 4

Światłowody Jednomodowe (SMF)

5/40
  • Bardzo cienki rdzeń (8-10 µm).
  • Tylko jeden mod światła (promień osiowy).
  • Brak dyspersji modowej - ogromny zasięg i przepustowość.
  • Źródło światła: laser (rozwiązanie droższe).
  • Zastosowanie: sieci MAN, WAN, FTTH, połączenia międzyoperatorskie.
  • Kolor powłoki zazwyczaj żółty.
  • Standardy: G.652 (standard), G.655 (przesunięta dyspersja), G.657 (odporne na zgięcia - abonenckie).
Slide 5

Tłumienie (Attenuation)

6/40
  • Spadek mocy sygnału wraz z odległością. Mierzone w dB/km.
  • Przyczyny: absorpcja (zanieczyszczenia, jony OH-), rozpraszanie Rayleigha (niejednorodność szkła), zgięcia (mikro- i makrozgięcia).
  • Okna transmisyjne (długości fal o najmniejszym tłumieniu):
    • I okno: 850 nm (MMF, ~2,5 dB/km).
    • II okno: 1310 nm (SMF, ~0,35 dB/km, zerowa dyspersja).
    • III okno: 1550 nm (SMF, ~0,22 dB/km, najmniejsze tłumienie, stosowane w DWDM/FTTH).
Slide 6

Dyspersja (Dispersion)

7/40
  • Zjawisko rozszerzania się impulsu świetlnego w czasie podróży przez włókno.
  • Prowadzi do nakładania się impulsów (ISI - Inter-Symbol Interference) i błędów transmisji.
  • Dyspersja modowa: występuje tylko w MMF - różne drogi promieni.
  • Dyspersja chromatyczna: w SMF - różne długości fal (barwy) podróżują z różną prędkością.
  • Dyspersja polaryzacyjna (PMD): różne prędkości dla różnych polaryzacji światła.
  • Kompensacja dyspersji (DCF - Dispersion Compensating Fiber) jest kluczowa w długich trasach DWDM.
Slide 7

Złącza światłowodowe (Connectors)

8/40
  • Służą do łatwego łączenia i rozłączania włókien.
  • SC (Subscriber Connector): kwadratowe, zatrzaskowe (push-pull). Popularne w mediakonwerterach i OLT/ONT.
  • LC (Lucent Connector): małe (SFF), połowa wielkości SC. Standard we wkładkach SFP/SFP+.
  • FC (Ferrule Connector): okrągłe, gwintowane. Wytrzymałe mechanicznie, precyzyjne.
  • ST (Straight Tip): okrągłe, bagnetowe (jak BNC). Rzadziej stosowane w nowych instalacjach.
Slide 8

Szlif ferruli: PC, UPC, APC

9/40
  • Sposób polerowania czoła złącza wpływa na odbicia wsteczne (Return Loss).
  • PC (Physical Contact): niebieskie (MMF beżowe/czarne). Styki wypukłe. RL ~ -30 dB.
  • UPC (Ultra Physical Contact): niebieskie. Lepsze polerowanie. RL < -50 dB. Standard w Ethernet/LAN.
  • APC (Angled Physical Contact): zielone. Czoło ścięte pod kątem 8 stopni. Odbite światło "ucieka" w płaszcz. RL < -60 dB.
  • Krytyczne dla sygnałów wideo (CATV) i pasywnych sieci optycznych (PON).
  • UWAGA: Nigdy nie łącz APC (zielone) z UPC (niebieskie) - zniszczysz złącze!
Slide 9

Łączenie włókien: Spawanie (Splicing)

10/40
  • Trwałe połączenie dwóch włókien.
  • Spawanie łukiem elektrycznym (Fusion Splicing): precyzyjne stopienie rdzeni. Tłumienie < 0.02 dB. Wymaga specjalistycznej spawarki.
  • Spawanie mechaniczne: użycie specjalnego złącza z żelem imersyjnym. Tłumienie wyższe (~0,1-0,2 dB), mniej trwałe, ale wymaga tańszych narzędzi.
  • Osłony spawów: termokurczliwe rurki chroniące miejsce połączenia, umieszczane w kasetach światłowodowych.
Slide 10

Elementy pasywne: Splittery (Dzielniki mocy)

11/40
  • Dzielą sygnał optyczny z jednego wejścia na wiele wyjść (np. 1x2, 1x4... 1x64).
  • Działają dwukierunkowo! W drugą stronę sumują sygnał.
  • FBT (Fused Biconical Taper): zgrzewane, tanie, dla małych podziałów (1:2, 1:4). Nierównomierny podział fal.
  • PLC (Planar Lightwave Circuit): technologia planarna (chip). Precyzyjne, szerokopasmowe, kompaktowe. Standard w PON (1:32, 1:64).
  • Każdy podział wprowadza tłumienie (np. 1:2 to ok. 3,5 dB, 1:32 to ok. 17 dB).
Slide 11

Elementy aktywne: Regeneratory i Wzmacniacze

12/40
  • Regeneratory O-E-O: konwersja Optyka-Elektronika-Optyka. Pełna regeneracja sygnału (kształt, czas, wzmocnienie). Wprowadzają opóźnienie, zależne od protokołu.
  • Wzmacniacze optyczne (Optical Amplifiers): wzmacniają sygnał bez konwersji na prąd.
    • EDFA (Erbium Doped Fiber Amplifier): włókno domieszkowane erbem. Pobudzane laserem pompującym (980/1480 nm). Działa w paśmie C (1550 nm).
    • Wzmacniacz Ramana: wykorzystuje nieliniowe zjawisko rozpraszania Ramana. Mniejsze szumy.
  • Pompy optyczne dostarczają energię do wzmocnienia sygnału.
Slide 12

Technologia WDM (Wavelength Division Multiplexing)

13/40
  • Multipleksacja z podziałem falowym - przesyłanie wielu sygnałów o różnych długościach fal ("kolorach") w jednym włóknie.
  • Zwiększa pojemność istniejących włókien wielokrotnie.
  • Mux/Demux: urządzenia pasywne łączące (Mux) i rozdzielające (Demux) fale.
  • Każda fala (kanał, lambda) niesie niezależny strumień danych (np. 10G, 100G).
Slide 13

CWDM vs DWDM

14/40
  • CWDM (Coarse WDM): rzadkie upakowanie kanałów. Odstęp 20 nm. Tanie lasery niechłodzone. Max 18 kanałów (1270-1610 nm). Zasięg do ~80 km.
  • DWDM (Dense WDM): gęste upakowanie. Odstępy 0,8 nm (100 GHz) lub 0,4 nm (50 GHz). Pasmo C (1530-1565 nm) i L. Lasery precyzyjne, chłodzone. Wymaga EDFA na długich trasach. Pojemność: 80+ kanałów.
  • DWDM to podstawa dzisiejszego szkieletu Internetu.
Slide 14

FTTx - Fiber to the x

15/40
  • Architektury dostarczania światłowodu do klienta.
  • FTTH (Home): światłowód doprowadzony bezpośrednio do mieszkania abonenta.
  • FTTB (Building): światłowód do piwnicy budynku, dalej skrętka lub VDSL.
  • FTTC (Curb/Cabinet): światłowód do szafy ulicznej, dalej miedź.
  • FTTH zapewnia najlepsze parametry i jest najbardziej przyszłościowym rozwiązaniem.
Slide 15

P2P vs PON (P2MP)

16/40
  • P2P (Point-to-Point): dedykowane włókno z centrali do każdego klienta (Active Ethernet). Bezpieczne, duża przepustowość, ale kosztowne (dużo włókien i portów w centrali).
  • PON (Passive Optical Network) / P2MP (Point-to-Multi-Point): jedno włókno wychodzi z centrali i jest dzielone pasywnie splitterami na wielu klientów (np. 32 lub 64). Oszczędność włókien i portów. Standard u większości ISP.
Slide 16

Architektura PON: Elementy

17/40
  • OLT (Optical Line Terminal): urządzenie aktywne w serwerowni ISP. Zarządza całą gałęzią PON.
  • ODN (Optical Distribution Network): sieć pasywna - światłowody, mufy, splittery. Brak zasilania w terenie!
  • ONT (Optical Network Terminal) / ONU (Unit): urządzenie u klienta. Zamienia sygnał optyczny na elektryczny (Ethernet, Wi-Fi, POTS).
Slide 17

Standardy PON

18/40
  • APON/BPON: starsze standardy oparte na ATM. Obecnie już niestosowane.
  • EPON (Ethernet PON) / GEPON: standard IEEE (802.3ah). Symetryczne 1,25 Gbps. Przesyła pakiety Ethernet natywnie. Popularny w Azji.
  • GPON (Gigabit PON): standard ITU-T (G.984). Asymetryczny: 2,488 Gbps Down, 1,244 Gbps Up. Enkapsulacja GEM (GPON Encapsulation Method). Najpopularniejszy w Europie.
  • XG-PON / 10G-EPON: następcy oferujący przepustowość 10 Gbps.
Slide 18

Zasada działania GPON: Downstream

19/40
  • Transmisja z OLT do ONT (pobieranie). Długość fali: 1490 nm.
  • Działa w trybie Broadcast. OLT wysyła ramki do wszystkich ONT w danej gałęzi.
  • Każdy ONT odbiera wszystkie ramki, ale (dzięki szyfrowaniu AES) odszyfrowuje tylko te przeznaczone dla siebie (na podstawie GEM Port ID).
  • Przepustowość (ok. 2,5 Gb/s) jest dzielona dynamicznie między użytkowników.
Slide 19

Zasada działania GPON: Upstream

20/40
  • Transmisja z ONT do OLT (wysyłanie). Długość fali: 1310 nm.
  • Wyzwanie: jeśli dwa ONT nadadzą jednocześnie, sygnały zderzą się w splitterze (kolizja).
  • Rozwiązanie: mechanizm TDMA (Time Division Multiple Access).
  • OLT przydziela każdemu ONT szczeliny czasowe (time slots), w których może nadawać.
  • OLT pełni rolę dyrygenta. Wymagana jest precyzyjna synchronizacja i pomiar odległości (Ranging).
Slide 20

Trzecia fala: RF Video Overlay

21/40
  • GPON umożliwia dosył telewizji kablowej (DVB-C/CATV) tym samym włóknem.
  • Wykorzystuje się trzecią falę: 1550 nm.
  • Sygnał jest analogowy lub cyfrowy (QAM), niezależny od transmisji danych GPON.
  • Wymaga Triplexera w ONT (rozdziela fale 1310/1490/1550) i wyjścia RF (koncentrycznego).
Slide 21

Budżet mocy (Optical Power Budget)

22/40
  • Kluczowy parametr przy projektowaniu sieci PON.
  • Różnica między mocą nadajnika (Tx) a czułością odbiornika (Rx).
  • Klasy GPON (Class B+, C+):
    • B+: budżet ok. 28 dB.
    • C+: budżet ok. 32 dB (pozwala na większy split 1:64 lub większy zasięg).
  • Strata mocy pochodzi głównie ze splitterów (1:64 to ok. 20-21 dB straty) oraz złączy i kabla.
  • Margines bezpieczeństwa: zawsze zostawiamy ok. 3 dB zapasu na starzenie się elementów i ewentualne naprawy.
Slide 22

Urządzenie OLT (Optical Line Terminal)

23/40
  • Centralny punkt sieci. Często modularne chassis (obudowa).
  • Karty GPON: posiadają porty PON (np. 8 lub 16 portów na kartę). Każdy port obsługuje np. 64 klientów.
  • Karty uplink: porty 10G / 40G / 100G Ethernet do szkieletu sieci.
  • Zarządzanie: CLI, SNMP, EMS (producenci: Huawei, ZTE, Nokia, Dasan).
  • Obsługuje funkcje L2/L3: VLAN, Routing, Multicast (IGMP), QoS.
Huawei-OLT> display board 0 SlotID Type Status PortNum 0 H805GPBD Normal 8 ... Huawei-OLT> display ont info 0 1 0 1 F/S/P : 0/1/0 Ont SN : 4857544322334455 (HWTC...) Type : HG8245H State : online IP : 192.168.100.1
Slide 23

Urządzenie ONT / ONU

24/40
  • Końcówka kliencka (modem światłowodowy).
  • Typy:
    • SFU (Single Family Unit): prosty most (bridge), wymaga własnego zewnętrznego routera.
    • HGU (Home Gateway Unit): "wszystko w jednym" (NAT, Wi-Fi, VoIP, USB).
  • Interfejsy: port optyczny (SC/APC), porty LAN (RJ45), porty POTS (RJ11 - telefon).
  • Autoryzacja w sieci ISP odbywa się po numerze seryjnym (SN) lub haśle (PLOAM password).
Slide 24

DBA (Dynamic Bandwidth Allocation)

25/40
  • Mechanizm dynamicznego przydzielania pasma w upstreamie.
  • Pozwala na oversubskrypcję. Jeśli sąsiad nie używa internetu, ty możesz wykorzystać jego dostępne pasmo.
  • T-CONT (Transmission Container): kontener logiczny grupujący ruch o podobnych wymaganiach (np. głos, wideo, dane).
  • Typy T-CONT:
    • Type 1: Fixed (stałe pasmo, dla VoIP - najniższe opóźnienia).
    • Type 4: Best Effort (Internet, maksymalna prędkość, ale bez gwarancji).
Slide 25

Bezpieczeństwo w GPON

26/40
  • Ponieważ medium jest dzielone (broadcast w dół), bezpieczeństwo jest kluczowe.
  • Szyfrowanie: Downstream jest szyfrowany AES-128. OLT negocjuje klucze z każdym ONT. Mimo że ONT fizycznie odbiera ramki sąsiada, nie może ich odczytać.
  • Izolacja portów: ONT nie widzą się nawzajem bezpośrednio (komunikacja tylko przez OLT).
  • Rogue ONT: uszkodzony lub złośliwy ONT może "świecić" w nie swoim czasie (ciągłe światło 1310 nm), zakłócając całą gałąź. OLT posiada mechanizmy wykrywania i zdalnego wyłączania takich terminali.
Slide 26

Zasięg i Splitting - Projektowanie

27/40
  • Maksymalny logiczny zasięg GPON: 60 km (fizycznie ograniczony budżetem mocy do ok. 20 km przy dużym splicie).
  • Maksymalny stopień podziału (split ratio): 1:128 (zazwyczaj stosuje się 1:64).
  • Topologie splitu:
    • Centralny: jeden duży splitter (np. 1:64) w szafie, do każdego klienta osobny kabel. Łatwe zarządzanie.
    • Kaskadowy: splittery rozmieszczone w terenie (np. 1:8 w szafie, potem 1:8 w mufie na słupie). Oszczędność włókien magistralnych.
Slide 27

XGS-PON i NG-PON2 (Przyszłość)

28/40
  • Zapotrzebowanie na pasmo rośnie (4K/8K, Cloud, VR).
  • XGS-PON: symetryczne 10 Gbps / 10 Gbps. Może współistnieć z GPON na tym samym włóknie (inne długości fal: 1577 nm Down, 1270 nm Up).
  • NG-PON2 (TWDM-PON): Time and Wavelength Division Multiplexing. 4 lub 8 fal po 10G każda, łącznie 40G-80G. Przestrajalne lasery w ONT (droga technologia).
Slide 28

Instalacja abonencka (Last Mile)

29/40
  • Doprowadzenie włókna z puszki/słupa do mieszkania.
  • Kable typu "drop": samonośne, płaskie, odporne na UV.
  • Włókna G.657.A1/A2/B3: o dużej odporności na zgięcia (można je układać na rogach ścian, a nawet zszywać zszywkami - niewskazane, ale możliwe).
  • Gniazdko optyczne w mieszkaniu -> patchcord -> ONT.
  • Najczęstszy problem: zabrudzenie czoła złącza (kurz, tłuszcz). Czyszczenie jest obowiązkowe!
Slide 29

Diagnostyka Optyczna: Miernik Mocy (OPM)

30/40
  • Podstawowe narzędzie instalatora.
  • Mierzy poziom sygnału (w dBm).
  • Dla GPON (1490 nm) u klienta poprawny sygnał to zazwyczaj od -15 dBm do -27 dBm.
  • Poniżej -28 dBm sygnał jest za słaby (loss of signal), powyżej -8 dBm może wystąpić przesterowanie (sygnał zbyt silny - overload).
Slide 30

Diagnostyka Optyczna: VFL (Wizualny lokalizator)

31/40
  • Potocznie zwany „laserem” lub „światełkiem”.
  • Emituje widzialne czerwone światło (650 nm).
  • Służy do wzrokowej weryfikacji ciągłości krótkich odcinków, znajdowania pęknięć (światło wycieka w miejscu uszkodzenia) lub identyfikacji włókna w przełącznicy.
  • Uwaga na oczy! Nie wolno patrzeć bezpośrednio w światłowód.
Slide 31

Diagnostyka Optyczna: Reflektometr (OTDR)

32/40
  • Zaawansowane urządzenie, "radar" optyczny.
  • Wysyła impulsy światła i mierzy odbicia wsteczne w funkcji czasu.
  • Tworzy wykres (reflectogram/trace) linii: pokazuje długość kabla, lokalizację złączy, spawów, zgięć i końcowe tłumienie.
  • Niezbędny do lokalizacji uszkodzenia kabla w ziemi (np. przez koparkę) z dokładnością do metrów.
Slide 32

Zalety sieci optycznych

33/40
  • Przepustowość: praktycznie nieograniczona (rzędu Tbps).
  • Zasięg: dziesiątki kilometrów bez regeneracji (miedź to max. 100 m).
  • Odporność: całkowita niewrażliwość na zakłócenia elektromagnetyczne (EMI/RFI) oraz wyładowania atmosferyczne.
  • Bezpieczeństwo: trudne do podsłuchania bez ingerencji fizycznej.
  • Gabaryty: kable są lekkie i cienkie w porównaniu do wiązek miedzianych.
Slide 33

Wady i wyzwania

34/40
  • Kruchość: włókno szklane jest podatne na zgięcia i naprężenia mechaniczne.
  • Naprawa: wymaga specjalistycznego sprzętu (spawarki) i wiedzy. Połączenie nie jest tak proste, jak w przypadku miedzi.
  • Koszt urządzeń: wkładki optyczne i urządzenia aktywne bywają droższe (choć ceny stale spadają).
  • Zasilanie: światłowodem nie prześlemy prądu (brak odpowiednika PoE na długi dystans). ONT wymaga lokalnego zasilania u klienta.
Slide 34

Zastosowania Specjalne: OPGW i ADSS

35/40
  • Sposoby wieszania kabli na liniach energetycznych.
  • OPGW (Optical Ground Wire): przewód odgromowy z włóknami w środku, umieszczany na szczycie linii wysokiego napięcia.
  • ADSS (All-Dielectric Self-Supporting): kabel w pełni dielektryczny (bez elementów metalowych), samonośny.
  • Dzięki temu firmy energetyczne posiadają jedne z największych sieci szkieletowych.
Slide 35

Transmisja podmorska

36/40
  • 99% ruchu międzykontynentalnego odbywa się dnem oceanów.
  • Kable posiadają solidne zbrojenie stalowe (ochrona przed ciśnieniem i uszkodzeniami).
  • Co ok. 50-100 km stosuje się wzmacniacze optyczne (EDFA) zasilane prądem przesyłanym miedzią wewnątrz kabla.
  • Przykład: Marea (USA-Hiszpania, 160 Tbps).
  • Naprawa kabla podmorskiego trwa tygodniami i kosztuje miliony dolarów.
Slide 36

Free Space Optics (FSO)

37/40
  • Transmisja optyczna (laserowa) w powietrzu, bez użycia światłowodu.
  • Łączenie budynków w linii widoczności (LOS).
  • Zalety: brak konieczności kładzenia kabli, szybka instalacja, brak potrzeby posiadania licencji na pasmo.
  • Wady: wrażliwość na warunki pogodowe (mgła, deszcz, śnieg) i przeszkody fizyczne.
Slide 37

Li-Fi (Light Fidelity)

38/40
  • Eksperymentalna technologia bezprzewodowa wykorzystująca widzialne światło (np. żarówki LED).
  • Szybka modulacja światła (niewidoczna dla oka) przesyła dane.
  • Potencjalnie bardzo duża przepustowość wewnątrz pomieszczeń.
  • Bezpieczeństwo: światło nie przenika przez ściany.
Slide 38

Podsumowanie: Dlaczego światłowód?

39/40
  • Jest to medium "ostateczne" (na ten moment). Granicą jest tylko sprzęt na końcach (Shannon limit).
  • Ekologia: mniej energii na bit, mniejsze zużycie surowców naturalnych w porównaniu do miedzi.
  • Niezbędny dla 5G (stacje bazowe muszą być podpięte światłowodem).
  • Inwestycja w infrastrukturę pasywną to rozwiązanie na dziesięciolecia.
Slide 39

Koniec Części 2

40/40
  • Omówiliśmy fizykę i media optyczne.
  • Poznaliśmy technologię WDM i jej potęgę.
  • Zgłębiliśmy architekturę GPON dla dostępu abonenckiego.
  • Przeanalizowaliśmy wady i zalety "szkła".
  • W kolejnej części zajmiemy się technologią klasy operatorskiej: MPLS (Multiprotocol Label Switching).
Slide 40