Retele de Telecomunicatii Prin Fibra Optica

Retele de telecomunicatii prin fibra optica

CUPRINS

Introducere

Capitolul 1: Rețele de calculatoare

Generalități

Componentele unei rețele

Tipuri de rețele

Topologia rețelelor

Modelul de referință OSI

Capitolul 2: Fibră Optică

2.1 Generalități

2.1.1 Principiul de funcționare

2.1.2 Parametrii optici de bază ai fibrelor

2.1.3 Reflexia internă totală

2.2 Tipuri de firbă optică

2.2.1 Fibră multimodală

2.2.2 Fibră monomodală

2.3 Mecanisme de atenuare și dispersie

2.3.1 Atenuare

2.3.1 Dispersie

2.4 Sistem de transmisiune optic

Capitolul 3: Rețele WDM

Capitorul 4: Implementarea unui model de transmisiune prin FO prin WDM

Concluzii

Bibliografie

Introducere

În zilele de astăzi, mare parte din utilizarea tehnologiei, este dezvoltată către abilitatea de comunicare.

Rețeaua este un ansamblu de calculatoare interconectate prin intermediul unor medii de comunicație pentru utilizarea în comun de către mai mulți utilizatori, a resurselor fizice (hardware), logice (software) și informaționale (baze de date, fișiere) asociate calculatoarelor din rețea.

Internetul este cea mai mare rețea existentă. O definiție frecventă poate fi aceea că “Internetul este o rețea de rețele” (“network of networks”). Este o colecție de rețele atât private cât și publice, interconectate între ele.

Globalizarea internetului a dus la folosirea acestuia in plan social, comercial, politic, atât și la interacțiunea umana. Această rețea globală este într-o constantă evoluție datorită nevoilor de schimbare a oamenilor. Tehnologia ajută să creem o lume în care granițele tărilor, distanțele geografice dar și limitările fizice devin mai puțin relevante în viața cotidiană.

Ca mediu de transmitere voi detalia fibrele optice, întrucât sunt folosite pe scară largă în domeniul telecomunicațiilor și permit transmisii pe distanțe mai mari și la lărgimi de bandă mai mari decât alte medii de comunicație. Sunt preferate în locul cablurilor de cupru deoarece semnalul este transmis cu pierderi mai mici și nu se confruntă interferențele electromagnetice.

Fig.1.1 – Globalizarea internetului

Scopul lucrării:

Realizarea unui model de simulare a unui sistem de transmisiuni prin fibră optică și încadrarea lui într-o scară mai largă a aplicabilității în domeniul rețelelor de telecomunicații. Am pus în evidență principalele caracteristici ale modelului simulat și criteriile de performanță ale acestuia.

Motivația alegerii temei este reprezentată de studiul simulării performanțelor a modului de transmitere a informațiilor în cadrul rețelelor de telecomunicații prin fibră optică Am ales această temă fiind pasionat de acest domeniu și dorind să descopăr cât mai multe despre implementarea prin fibră optică în rețelele de telecomunicații folosite preponderent în zilele noastre.

Conținutul lucrării:

În capitolul 1, am prezentat încadrarea rețelelor de calculatoare în cadrul rețelelor de telecomunicații alături de prezentarea componentelor folosite, a tipurilor de rețele și a topologiilor existente, a modului de transmitere a informațiilor în cadrul modelului de referință al interconectării sistemelor deschise.

Capitolul 2 este o prezentare generală a fibrei optice, a principiului de funcționare a acesteia. Am pus în evidență principalii caracteristici optici ai fibrei, tipurile fibrei și caracteristicile lor, dar și pierderile ce pot apărea (absorbție și atenuare).

În capitolul 3 am prezentat rețelele WDM în scopul deschiderii cadrului de simulare a modelului prezentat în ultimul capitol.

Capitolul 1: Rețele de calculatoare:

1.1 Generalități:

Rețelele de calculatoare variază în dimensiuni. Acestea se pot dezvolta de la rețele simple constituite din două calculatoare până la conectarea a milioane de dispozitive.

În viața de zi cu zi, rețelele simple, instalate acasă, permit distribuirea resurselor ( a imprimantelor, documentelor, fișierelor media ) între calculatoarele conectate local.

Toate calculatoarele conectate într-o rețea care participă direct în comunicare, sunt clasificate ca host-uri , sau dispositive terminal (“end device”-uri). Aceste hosturi pot trimite dar și recepționa mesaje într-o rețea. În rețelele moderne totuși, un “end device” poate să aibă rol de client, de server, sau ambele. În funcție de soft-ul instalat pe acesta, se determină ce rol poate juca acel calculator.

Serverele sunt host-uri care sunt configurate astfel încât să ofere informații (email-uri, pagini web) către alte host-uri din rețea. Fiecare dintre aceste servicii necesită alt software configurat pe serverul respectiv.

Clienții sunt host-uri care au instalat software ce le permit să ceară (request) și afișeze informația obținută de la servere.

1.2 Componentele unei rețele:

Calea pe care un mesaj este transmis de la sursă la destinație, poate fi simplă ca un singur cablu conectat la două calculatoare, sau complex, către un calculator aflat în partea opusă a globului. Infrastructura rețelei este platforma ce susține rețeaua, oferind un canal stabil și fiabil pentru comunicare.

Infrastructura rețelei conține trei categorii de componente:

Dispozitive

Suport de comunicare (Media)

Servicii

Dispozitivele și suportul sunt elementele fizice (hardware) ale rețelei – laptop, PC, switch, router, cabluri folosite la conectarea acestora:

Plăci de rețea–network card, network adapter, NIC (Network Interface Controller)

Repetoare, hub–folosit pentru regenerarea și amplificarea semnalului

Switch-uri–folosite pentru interconectarea sistemelor de calcul dintr-o rețea (topologie stea)

Ruter–folosit pentru interconectarea mai multor rețele de calculatoare (LAN); folosit în WAN [1]

Componentele rețelei sunt folosite pentru a oferi servicii și procese. Acestea sunt programe de comunicare, soft-uri care rulează pe dispozitivele din rețea. Serviciul rețelei este de a oferi informație, ca răspuns la o cerere („request and answer”). Procesele fac ca mesajele să fie transportate în rețea după anumite reguli.

Comunicarea în rețele este transmisă printr-un mediu. Acest mediu, oferă canalul prin care sunt transmise mesajele de la sursă la destinație. Acestea pot fi:

Cabluri cu fire de cupru

Cablu prin fibra optica

Transmisiune Wireless

Fig 1.1 Medii de transmisiune în rețele de calculatoare[2]

1.3 Clasificarea rețelelor

Rețele pot fi clasificate în funcție de suprafața geografică ocupată, împărțindu-se în principiu în:

rețele locale (LAN – Local Area Netorks)

rețele metropolitane (MAN – Metropolitan Area Networks)

rețele extinse (WAN – Wide Area Networks)

Diferențele dintre rețele sunt date de aria geografică pe care fiecare rețea o ocupă și diferitele tipuri de protocoale sau tehnologii de interconectare specifice fiecărui tip în parte.

1.3.1 Rețelele locale:

Rețelele locale (LAN) sunt rețele de suprafață mică, localizate într-o singură clădire sau într-un campus de cel mult câțiva kilometri; conectarea se face de obicei cu ajutorul unui singur cablu, la care sunt legate toate mașinile.

Datorită suprafețelor mici pe care sunt extinse, rețelele locale mențin o rată de transfer mai ridicată decât rețelele metropolitane sau rețelele extinse. Nodurile care fac parte din aceeași rețea locală comunică cu nodurile altor rețele locale împărțind un anumit canal de comunicație (puncte de acces în cazul rețelelor fără fir, fibră optică). Utilizatorii echipamentelor din cadrul unei rețele locale folosesc deseori un server pentru a accesa și a lucra cu diverse aplicații ce sunt folosite de către o organizație.

1.3.2 Rețelele metropolitane:

Rețele metropolitane (MAN) sunt rețele care se pot întinde într-o zonă de pe suprafața unui întreg oraș. Pentru conectare se folosesc două cabluri unidirecționale la care sunt conectate toate calculatoarele, fiecare cablu având un capăt de distribuție (dispozitiv care inițiază activitatea de transmisie).

Aceste rețele sunt de obicei menținute de către o singură entitate, precum birouri guvernamentale, instituții, organizații mari sau corporații. Rețele metropolitane permit comunicarea pe arii extinse, folosind protocoale mai avansate decât în cazul comunicării între rețelele locale incluse în rețele extinse, ce se bazează pe routere să descifreze și să permită comunicarea diferitelor tipuri de protocoale între diferitele tipuri de rețele. Un avantaj al acestor rețele îl constituie costul mai redus, comunicarea mai rapidă și mai eficientă decât în cadrul rețelelor extinse. Deasemenea rețelele metropolitane asigură controlul transmisiei datelor de la un echipament la altul.

1.3.3 Rețelele extinse:

Rețelele larg răspândite geografic (WAN) sunt rețele care ocupă arii geografice întinse, ajungând la dimensiunea unei țări sau a unui întreg continent;

Rețeaua extinsă este considerată ca fiind o rețea publică împărțită în rețele mai mici, dar de asemenea există și o mare parte deținută particular. Aceste tipuri de rețele fac legătura între alte rețele, asigurând un mod de a transmite datele de la utilizatori în alte locații. Rețelele extinse se folosesc de protocoale (TCP/IP) pentru trimiterea datelor de la un terminal la altul și rețin adresele terminalelor pentru a cunoaște unde trebuie transmise datele în scopul sosirii la destinația dorită.

1.4 Topologia rețelelor

Topologia unei rețele este caracterizată de organizarea și relația dintre echipamentele de rețea și conexiunile dintre acestea. Topologiile pot fi împărțite în două categorii:

logice

fizice

1.4.1 Topologii logice:

Topologiile logice se referă la modul în care se realizează comunicarea în rețea. Rețeaua transferă date de la un nod la altul, realizându-se conexiuni virtuale între acestea. Drumul semnalelor logice sunt stabilite de protocoalele nivelului legătură de date.

1.4.2 Topologii fizice:

Prin topologia fizică a unei retele se întelege modul de interconectare la nivel fizic a echipamentelor terminale, cu echipamentele de infrastructură (routere,switch-uri,hub-uri).

Folosirea unei topologii anume, are influență asupra vitezei de transmitere a datelor,

a costului de interconectare și a fiabilității rețelei.

1.4.2.1 Topologia punct la punct și punct la multipunct:

Topologia punct la punct este cea mai simplă configurație de rețea fiind realizată prin existența unei conexiuni permanente între două echipamente terminale. Aceasta are redundanță minimă, întrucât nu există nici o legătură de rezervă, deci fiabilitatea este scăzută.

În cazul în care configurația dispune de mai mult de două stații pentru destinație,ne referim la o topologie punct la multipunct. În prezent, topologiile multipunct sunt folosite în cadrul rețelelor locale.

1.4.2.2 Bus(Magistrală):

Topologia Bus presupune ca fiecare dintre sistemele componente să fie conectate în linie. Această topologie a fost folosită la începuturile rețelelor Ethernet, mai ales pentru ușurința în implementare și a costului scăzut.

Când un pachet este transmis în acest model, nu există un echipament intermediar (switch, router) care să determine destinația la care trebuie să ajungă pachetul respectiv. De aceea, fiecare pachet transmis într-o rețea de tip bus, este recepționat de toate echipamentele terminale din acea rețea. Dacă pachetul nu este destinat unui anumit sistem, acesta nu îl ia in considerare.

Dezavantajele topologiei bus sunt reprezentate de: greutatea administrării și întreținerii în cazul unei rețele de dimensiuni mari, dificultatea depanării, rețeaua nu este redundantă.Dacă un singur cablu devine inutilizabil, întreaga rețea este compromisă. [4]

Figura 1.4.2.2a – Topologia Bus[4]

1.4.2.3 Topologia inel:

Topologia inel presupune ca fiecare dintre echipamentele terminale conectate cu echipamentele vecine formează un inel. Această topologie fizică are în principal aceleași avantaje și dezavantaje ca și topologia bus. Diferența dintre topologia bus și cea inel este că cea din urmă nu are un capăt terminal, ci toate sistemele sunt conectate între ele, formând o buclă.

Dacă se dorește îmbunătățirea performanțelor acestui tip de rețea, se poate lua în considerare adăugarea unui al doilea inel. [4]

Figura 1.4.2.3a – Topologia inel

1.4.2.4 Topologia stea:

În topologiile anterioare, toate terminalele rețelei erau conectate între ele. Topologia stea presupune conectarea echipamentelor terminale prin intermediul unui echipament ce se află în centrul topologiei. Echipamentul central poate fi reprezentat de un hub sau un switch.

Principalul avantaj al topologiei de tip stea este dată de redundanța ei. Când unul dintre sisteme este defect, nu se propagă inactivitatea și în restul rețelei. De asemenea, rețelelele de tip stea sunt cele mai folosite datorită ușurinței de instalare, întreținere și adăugării de echipamente terminale (management centralizat al rețelei).

Figura 1.4.2.4a – Topologia stea[4]

1.4.2.5 Topologia arbore (hibridă):

Această topologie reprezintă o combinație între topologiile prezentate anterior. Pentru exemplificare, se pot observa în figura următoare mai multe rețele de tip stea interconectate printr-o topologie de tip bus.

Figura 1.4.2.5a – Topologia hibrida[4]

1.4.2.6 Topologia plasă:

Această topologie presupune faptul că fiecare echipament terminal este conectat la toate celelalte echipamente. Avantajul topologiei plasă este reprezentat de disponibilitatea ridicată pe care o oferă, în ciuda costului ridicat pentru realizarea acesteia, la care poate fi adăugată și dificultatea mentenanței rețelei.

Numărul de cabluri folosite în rețeaua de tip plasă este dat de relația:

(N+(N-1))/2,

unde N reprezintă numărul de terminale interconectate.[4]

Figura 1.4.2.6a – Topologia plasă

1.5 Modelul de referință OSI:

Modelul de referință OSI (Interconectarea Sistemelor Deschise, engleză: Open Systems Interconnection), este o stiva de protocoale de comunicație ierarhic, folosit pentru a realiza o rețea de calculatoare. [5]

Acest model oferă metode generale pentru realizarea comunicației, sistemelor de calcul pentru ca acestea să poată schimba informații, indiferent de particularitățile constructive ale sistemelor (fabricant, sistem de operare, țară, etc).

Modelul OSI împarte comunicarea între două sau mai multe sisteme în 7 straturi numite și niveluri distincte (en: layers), într-o arhitectură ierarhică. Fiecare dintre aceste straturi are funcții bine determinate și comunică doar cu straturile adiacente.

Cele 7 niveluri sunt: Aplicație (nivelul 7, superior) , Prezentare (nivel 6), Sesiune (nivel 5), Transport(nivel 4) , Rețea (nivel 3), Legătură de date (nivel 2), Fizic (nivelul 1, inferior).

Fig.1.5a – Modelul OSI [5]

1. Nivelul fizic: are rolul de a transmite datele de la un calculator la altul prin intermediul unui mediu de comunicatie. Datele sunt văzute la acest nivel ca un șir de biți.

Problemele tipice sunt de natură electrică: nivelele de tensiune corespunzatoare unui bit 1 sau 0, durata impulsurilor de tensiune, cum se inițiază și cum se oprește transmiterea semnalelor electrice, asigurarea păstrarii formei semnalului propagat. Mediul de comunicatie nu face parte din nivelul fizic.

2. Nivelul legatură de date: corectează erorile de transmitere apărute la nivelul fizic, realizând o comunicare corectă între două noduri adiacente ale rețelei. Mecanismul utilizat în acest scop este împarțirea biților în cadre ( frame-uri), cărora le sunt adăugate informații de control.

Cadrele sunt transmise individual, putând fi verificate și confirmate de către receptor.

Alte funcții ale nivelului se referă la fluxul de date (astfel încât transmițătorul să nu furnizeze date mai rapid decât le poate accepta receptorul) și la gestiunea legăturii (stabilirea conexiunii, controlul schimbului de date și desființarea conexiunii).

3. Nivelul retea: asigură dirijarea unităților de date între nodurile sursă și destinație, trecând eventual prin noduri intermediare. Este foarte important ca fluxul de date să fie astfel dirijat încât să se evite aglomerarea anumitor zone ale rețelei (congestionare ). Interconectarea rețelelor cu arhitecturi diferite este o funcție a nivelului rețea.

4. Nivelul transport: realizează o conexiune între două calculatoare gazdă (host) detectând și corectând erorile pe care nivelul rețea nu le tratează. Este nivelul aflat în mijlocul ierarhiei, asigurând nivelelor superioare o interfață independantă de tipul rețelei utilizate. Funcțiile principale sunt: stabilirea unei conexiuni sigure între două mașini gazdă, inițierea transferului, controlul fluxului de date și închiderea conexiunii.

5. Nivelul sesiune: stabilește și întreține conexiuni (sesiuni) între procesele aplicație, rolul său fiind acela de a permite proceselor să stabileasca "de comun acord" caracteristicile dialogului și să sincronizeze acest dialog.

6. Nivelul prezentare realizează operații de transformare a datelor în formate înțelese de entitățile ce intervin într-o conexiune. Transferul de date între masini de tipuri diferite (Unix-DOS, de exemplu) necesită și codificarea datelor în funcție de caracteristicile acestora. Nivelul prezentare ar trebui să ofere și servicii de criptare/decriptare a datelor, în vederea asigurării securității comunicației în rețea.

7. Nivelul aplicație are rolul de "fereastră" de comunicație între utilizatori, aceștia fiind reprezentați de entitățile aplicație (programele). Nivelul aplicație nu comunică cu aplicațiile ci controlează mediul în care se execută aplicațiile, punându-le la dispoziție servicii de comunicație. Printre funcțiile nivelului aplicație se afla:

identificarea partenerilor de comunicație, determinarea disponibilității

acestora si autentificarea lor

sincronizarea aplicațiilor cooperante și selectarea modului de dialog

stabilirea responsabilităților pentru tratarea erorilor

identificarea constrângerilor asupra reprezentării datelor

transferul informației

Primele trei nivele de la baza ierarhiei (fizic, legatura de date, retea) sunt

considerate ca formând o subrețea de comunicație . Subrețeaua este răspunzătoare pentru

realizarea transferului efectiv al datelor, pentru verificarea corectitudinii transmisiei și

pentru dirijarea fluxului de date prin diversele noduri ale rețelei. Acest termen trebuie

înțeles ca desemnând "subrețeaua logică", adică mulțimea protocoalelor de la fiecare nivel

care realizează funcțiile de mai sus. Termenul de subrețea este utilizat și pentru a desemna

liniile de transmisie și echipamentele fizice care realizează dirijarea și controlul transmisiei. [5]

Capitolul 2. Fibra Optică:

2.1.Generalități

Fibra optică este o fibră de sticlă sau plastic care poate transporta energie luminoasă și informație de-a lungul său. Lumina este propagată prin miezul fibrei optice cu ajutorul reflexiei interne totale. [6]

Utilizarea generală a fibrei a început după anii 1970, când Robert Maurer (membru al fabricantului american “Corning Glass Work”) a realizat o fibră cu o atenuare de sub 20 dB/km, de la acest prag utilizarea fibrelor optice fiind posibilă ca mediu practic de telecomunicații. După acestă descoperire, utilizarea fibrei a crescut substanțial la scară largă, datorită avantajelor costului de producție și de instalare. [7]

2.1.1 Principiul de funcționare:

O fibră optică este un ghid de undă dielectric de formă cilindrică ce transmite lumina de-a lungul său, prin procesul de reflexie internă totală.

Fibra optică conține un fir foarte subțire numit miez, de ordinul zecilor de microni (μ), care constituie un ghid de undă pentru lumină, realizat din sticlă dopată, obținută dintr-o combinație de dioxid de siliciu și alte elemente (ex: dioxid de germaniu: GeO2).

În cazul fibrei multimod, indicele de refracție al sticlei scade, de la centru spre exterior. Acest tip de sticlă se numește sticlă cu index variabil sau gradat și permite diferitelor moduri luminoase să ajungă la receptor în același moment. În cazul fibrei monomod, indicele de refracție al sticlei este constant. Acest tip de sticlă se numește sticlă cu index pas.

Miezul este învelit de un material realizat din dioxid de siliciu (silice pură), având un indice de refracție mai mic decât al miezului și fiind denumit generic imbrăcăminte sau teacă. Pentru a proteja îmbrăcămintea, aceasta este învelită într-un material plastic. Acest inveliș se numește protecție și este învelit la rândul său de un material întăritor, denumit “Kevlar” (din en.: “vestă), care conferă rezistență fibrei în momentul instalării. Ultimul inveliș este mantaua care protejează fibra împotriva materialelor abrazive, a solventilor și a altor factori externi (ex: apă, influențe mecanice). [11]

Pentru ca lumina să fie păstrată în interioriul miezului, indicele de refracție al acestuia trebuie să fie mai mare decât cel al tecii. [6]

Figura 2.1.1a – Secțiune transversală prin fibra optică[11]

2.1.2 Parametrii optici de bază ai fibrelor

Parametrii optici de bază ai fibrelor sunt următorii, detaliându-i pe fiecare în cele ce urmează:

Diferența relativă a indicilor de refracție;

Apertura numerică;

Frecvența normată;

Numărul modurilor care se propagă pe fibra optică;

Lungimea de undă critică.

Indicele de refracție al unui mediu se notează cu litera “n” și este definit de raportul:

,

unde m/s (viteza luminii în vid) , iar v este viteza luminii în mediul respectiv. Acesta este o măsură a vitezei luminii printr-un material. De exemplu: n=1.5 pentru sticlă, n=1.33 pentru apă, n=1.46 pentru teaca fibrei optice și 1.48 pentru miez.[8]

Diferența relativă a indicilor de refracție ai miezului și învelișului fibrei optice, se notează cu Δ, este o mărime adimensională și se calculează cu relația:

Apertura numerică, notată cu AN, prin intermediul căreia se determină condițiile în care lumina emisă de sursă este acceptată spre propagare în fibra optică, se obține în funcție de profilul de variație al indicelui de refracție al miezului fibrei optice. Pentru fibra optică cu salt de indice de refracție,

unde, n1 și n2 reprezintă indicele de refracție al miezului și respectiv cel al învelișului. [12]

Frecvența normată reprezintă numărul de moduri care se pot propaga pe fibra optică și este determinate prin următoarea relație:

,

unde f – frecvența de lucru, c0 – viteza luminii în vid, a – diametrul miezului fibrei

Regimul de lucru al fibrei optice este monomod dacă V aparține intervalului (0; 2,405).

Regimul este de tip multimod atunci când V este mai mare decât valoarea de 2,405, pe fibră propagându-se mai multe moduri. Cu cât diametrul fibrei optice este mai mic, cu atât pe ea se propagă mai puține moduri.

La o fibră de tip multimod, ce are diametrul miezului egal cu 2a, numărul de moduri care se pot propaga se determină astfel: pentru o fibra optică cu salt de indice, respectiv pentru fibra cu variație gradată a indicelui miezului.

În funcție de frecvența normată (V) se poate determina lungimea de undă. Se definește noțiunea de lungime de undă critică, (), unde Vc reprezintă frecvența normată critică sau de prag:

[12]

2.1.3 Reflexia internă totală:

Fibra optică este un ghid de undă folosit pentru transmisia luminii. Acesta este constituită dintr-un miez dielectric, de obicei din sticlă, acoperit de un strat de sticlă sau înveliș din plastic caracterizat de indicele de refracție mai mic decât cel al fibrei. Lumina transmisă prin fibra optică este menținută în interiorul miezului, datorită fenomenului de reflexie internă totală. Acest fenomen are loc la interfața dintre miez și teacă, atunci când lumina din interiorul miezului este incidentă sub un unghi mai mare decât unghiul critic, ea întorcându-se fără pierderi în interiorul miezului. Astfel are loc propagarea luminii prin fibra optică.

Cantitatea de lumină ce este reflectată depinde de unghiul de incidență format și de indicele de refracție al miezului, respectiv a tecii.[13]

Figura 2.1.3 a – Diagramă secțiune cilindrică a fibrei optice [13]

Când lumina se propagă printr-un mediu dens și întâlnește o limită de demarcație cu un unghi abrupt (mai mare decât unghiul critic al suprafeței), aceasta va fi reflectată total. Efectul este folosit în fibra optică pentru a păstra lumina în miez, aceasta deplasându-se prin fibră și reflectându-se de o parte și de alta a limitei cu teaca. Întrucât lumina lovește limita de demarcație la un unghi mai mare decât cel critic, doar o parte din lumină ce intră sub anumite unghiuri în fibră, o va traversa, fără a ieși din aceasta. Această gamă de unghiuri se mai numește și con de acceptanță. Dimensiunea conului de acceptanță depinde de diferența de indice de refracție între miez și teacă. Există un unghi maxim față de axa fibrei sub care lumina poate intra în fibră astfel încât să se propage prin miez. Sinusul acestui unghi maxim reprezintă apertura numerică a fibrei. [6]

Fig 2.1.3 b – Reflexia internă totală prin fibră

2.2 Tipuri de fibră optică

În funcție de numărul de moduri propagate prin fibra optică, aceasta se poate clasifica în:

fibre multimodale (MMF)

fibre monomodale (SMF).

Fig. 2.2a – Tipuri de fibră [9]

2.2.1 Fibra multimodală

Fibrele multimod (MMF), sunt caracterizate de un diametru mare al miezului (50 sau 62.5 m). Diametrul tecii este de 125 m atât în cazul fibrei multimod, cât și în cea monomod. [13]

Datorită diametrului mare al miezului, impulsul de intrare ce se transmite, se propagă pe diferite căi de propagare, formând o caracteristică în “zig-zag”. De aceea, razele luminoase ajung la detector la intervale de timp diferite. Acest proces duce la lărgirea semnalului temporal (“temporal signal broadening), fenomen numit dispersie intermodală, ce limitează ratele de transfer și distanța efectivă de transmisie la 200-500m.

Figura 2.2.1 a – Propagarea razelor luminoase prin fibra monomod cu salt de indice[13]

În cazul unei fibre optice multimod cu salt de indice, razele luminoase sunt transmise de-a lungul miezului prin procesul reflexie internă totală. Acele raze ce ajung la contactul dintre miez și teacă cu unghi mai mare decât unghiul critic al acestei suprafețe, sunt complet reflectate.

Fibrele cu salt de indice sunt caracterizate de un indice de refracție al miezului constant și prezintă o discontinuitate la contactul dintre miez și teacă.

Figura 2.2.1 b – Profilul indicelui de refracție în fibra cu salt de indice (a) și în fibra cu indice gradat(b) [13]

În fibra cu indice gradat, indicele de refracție se schimbă progresiv de la miez la teacă. Aceasta scade, având cea mai mare valoare în centrul miezului, scăzând gradual în apropierea conexiunii miez-teacă. Conturarea indicelui de refracție se obține prin aplicarea de straturi miezului, acesta pemițând minimizarea efectelor dispersiei intermodale. Cu toate că razele de lumină se propagă prin fibră pe căi diferite, acestea ajung la detector apoximativ în același timp. Acest lucru este posibil întrucât: razele propagate de-a lungul axului miezului fibrei au o distanță mai scurtă de parcurs, dar viteza de fază este mai mică (datorită indicelui de refracție ce este cel mai mare în centru). Razele ce se propagă în straturile mai îndepărtate de miezul fibrei, au o distanță mai mare de parcurs, însă viteza de fază este mai mică (datorită indicelui de refracție mai mic din apropierea contactului dintre miez și teacă).

Din prisma opticii geometrice, în fibrele cu indice gradat, razele de lumină nu se mai propagă sub formă de zig-zag ca în cazul fibrelor cu salt de indice, ci formează o formă sinusoidală (elicoidală).

Figura 2.2.1 c – Propagarea geormetrică a razelor în fibra cu indice gradat[13]

În acest caz, razele de lumină se curbează pe măsură ce se apropie de teacă, în loc să se reflecte abrupt la suprafața de contact miez-teacă.

Drumurile curbate micșorează dispersia multicale, razele sub un unghi mare trecând preponderent prin zonele de la marginea miezului, unde indicele de refracție este mai mic, față de centru, unde indicele de refracție este mai mare.

Profilul indicelui de refracție este ales pentru a minimiza diferența de viteză de propagare a diverselor raze din fibră. Forma generală a profilului indicelui de refracție al miezului este:

,

unde g – reprezintă indicele de profil, n(r) – indice de refracție variabil al miezului.

– indicele de refracție al miezului , – indicele de refracție al tecii (en. cladding)

– diferența relativa a indicilor de refracție; , cu .

În funcție de alegerea indicelui de profil g, se poate obține o fibră cu dispersie minima. Fibrele optice cu indice gradat permit transmisiterea datelor la distanțe semnificativ mai mari decât cele cu salt de indice.

Figura 2.2.1 d – Tipuri de fibră optică

2.2.2 Fibra Monomodală:

Fibra poate suporta unul sau mai multe moduri de traversare prin care lumina se poate propaga. În situația în care aceasta permite doar un mod de propagare, se intulează fibră monomodală sau monomod.

Fibrele optice monomodale (SMF = en. “Single mode fibers”), sunt caracterizate de un miez de diametru mic (5-10 m), iar diametrul tecii, la fel ca la fibra monomod, este de 125m.

Datorită dimensiunii mici a diametrului miezului, în fibra monomodală, lumina se propagă de-alungul unei singure direcții paralele cu axul fibrei.

Figura 2.2.2 a – Propagarea luminii în fibra monomod[13]

Cea mai folosită fibră monomodală are un diametru al miezului cuprins între 8 și 10 micrometri și este proiectată pentru utilizarea la lungimi de undă vizibile apropiate de infraroșu. Fibra multimod, față de cea monomod, are un diametru al miezului de la 50 m până la câteva sute.

Fibra monomodală nu prezintă dispersie intermodală, prin urmare pulsul de lumină ajunge la capătul fibrei fără a fi atenuat major. De aceea, aceste tipuri de fibră sunt destinate transmisiei pe distanțe lungi, întrucât pulsul luminos poate fi transferat fără a fi amplificat pe distanțe ce ajung la 80 – 140 km. Lipsa dispersiei intermodale nu presupune faptul că pulsul de distorsiune dispare în întregime. Dispersia cromatică non-liniară, cât și atenuarea cauzată de dispersie și de absorbția sticlei din care este constituit miezul fibrei, cauzează distorsiune și atenuări ale impulsului de-a lungul fibrei. Acest efect se poate neglija, întrucât în zilele noastre este posibilă transmisia de până la 40 Gb/s pentru o singură lungime de undă. Sursa luminoasă a unei fibre optice monomod, poate fi un laser ce transmite lumină cu lungimi de undă între 1310 și 1550nm. Dacă, folosind aceeași fibră monomod, sunt transmise simultan mai multe lungimi de undă (Multiplexare cu divizarea lungimii de undă; WDM – en.”Wavelength Division Multiplexing”), se poate ajunge la viteze de transmisiune de ordinul Terabiților/secundă (Tb/s). Folosirea fibrei monomodale permite utilizarea mai multor protocoale simultan, asigurând un transfer eficient al datelor. [13]

2.3 Mecanisme de atenuare și dispersie:

Atenuarea și dispersia sunt două dintre cele mai importante caracteristici ale fibrei optice ce pot determina capacitatea unui sistem de comunicație optic de a transmite informații. Atenuarea limitează amplitudinea puterii optice transmise, iar dispersia limitează rata de transmitere a datelor prin fibră, întrucât depinde de lărgimea temporală a impulsurilor ce conțin informație. [8]

2.3.1 Atenuarea:

Atenuarea fibrelor a fost la început o barieră importantă în introducerea practică a sistemelor optice de transmisiuni. Una dintre primele fibre optice avea o atenuare de 5000 dB/km. Din anul 1970 abia, se putea aștepta la atenuări de 20 dB/km. Prin progresele tehnologice în aest domeniu, fibrele optice actuale tind la atenuările teoretice de 0.15 dB/km pentru fibra cu cuarț.

De obicei atenuarea fibrei de sticlă este descrisă de formula:

,

unde α este coeficientul de atenuare în raport cu puterea P. Pentru puterea P(z,t) rezultă:

,

unde P(0,t) descrie evoluția în timp a puterii de intrare în fibră. Coeficientul de atenuare α are unitatea 1 Np/km. Teoretic, pe foile de date ale producătorilor de fibră optică atenuarea se specifică în dB/km. Această corespondență este dată de relația:

În mod tipic atenuarea α are valoarea standard de 0.2 dB/km ceea ce corespunde la 0.04605 Np/km.

Coeficientul de atenuare al fibrei optice este dependent de lungimea de undă a luminii emise. Figura 2.3.1a de mai jos, arată α(λ) într-o fibră optică standard, monomodală. Atenuarea minimală de 0.2 dB/km apare la o lungime de undă de λ = 1.55 μm. Al doilea minim la atenuarea fibrei este la λ = 1.3 μm. Aici atenuarea este de 0.5 dB/km. Cele două ferestre optice la λ = 1.3 μm și λ = 1.55 μm sunt folosite pentru transmiterea datelor. Cazurile fizice ale atenuării în fibră sunt explicate în continuare.[14]

Figura 2.3.1a : Comportarea tipică a atenuării unei fibre monomod standard

Absorbția intrinsecă a materialului: Datorită proprietăților materialului de sticlă de cuarț se ajunge la fenomenul de rezonanță la anumite lungimi de undă. Moleculele de SiO2 prezintă o rezonanță electronică în domeniul ultraviolet (λ < 0.4 μm) și o rezonanță de vibrații în domeniul infraroșii (λ < 7 μm). Influența acestor rezonanțe la transmiterea datelor la lungimile de undă de 1.55 μm și 1.3 μm este comparabilă cu o valoare de 0.03dB/km.

Absorbția extrinsecă a materialului: Datorită impurităților în procesul de fabricare, în special datorită grupului de molecule hidroxil [OH], se ajunge la o creștere importantă a atenuării. Prima vibrație de rezonanță a ionilor de OH este la 2.73 μm și alte armonici la 1.39 μm, 1.24 μm și 0.95 μm. În figura 2.3.1a se pot observa creșteri de rezonanță. Prin îmbunătățirea procesului de fabricare s-a realizat, eliminarea grupării [OH] din fibră.

Dispersia Rayleigh: Datorită procesului de fabricație, se ajunge la variații ale densității moleculelor în fibră. Această fluctuație a densității duce la o dispersie a câmpului incident. Această dependență a dispersiei Rayleigh de lungimea de undă a luminii incidente pentru fibre din cuarț este descrisă de ecuația:

,

unde factorul α depinde de materialul folosit în fibra optică.

Defecte în ghidul de undă: Defectele din ghidul de undă, cum ar fi deformarea de la forma perfect cilindrică, erori la trecerea dintre miez și înveliș, pot duce la pierderi suplimentare. În mod tipic, aceste pierderi se situează în jurul valorii de 0.03 dB/km.

Pe lângă aceste cauze, apar pierderi suplimentare datorate îmbinării fibrelor optice la construcția unor segmente de transmisiune. Tehnologic, astăzi este posibil ca aceste joncțiuni de fibră să fie realizate cu atenuări mai mici de 0.1 dB.

2.3.2 Dispersia:

Dispersia duce la o dependență a vitezei de propagare a semnalelor singulare de frecvență, respectiv de lungimea de undă. Dacă injectăm un impuls scurt într-o fibră va apare la celălalt capăt puternic împrăștiat. Cauza este dependența de frecvență a vitezei de grup a modului fundamental al fibrei. Diferitele componente spectrale ale impulsului se propagă cu viteze diferite. Acestea sunt, în mod obișnuit, dispersia vitezei de grup (en: “Group-Velocity Dispersion”), dispersia intramodală sau dispersia de fascicol D. Dispersia vitezei de grup se compune din dispersia de material DM și disperia ghidului de undă DW. [14]

Dispersia de material DM: Cauza dispersiei de material este dependența de lungimei de undă, respectiv de frecvență, a indicelui de refracție al materialului din miezul și învelișul unei fibre de sticlă. Dispersia de material este o proprietate a materialului ce apare la toate fibrele. Dependența de lungimea de undă a indicelui de refracție n și a indicelui de grup ng = n + ω(dn/dω) a sticlei de cuarț este arătată în figura 2.3.2a. Dispersia de material este definită prin creșterea indicelui de refracție de grup ng.

Zeroul raportului dng/dλ este, la sticla de cuarț, la o lungime de undă λ ≈ 1.276 μm. Această lungime de undă cu dispersie nulă este notată cu λZD (Zero Dispersion).

Figura 2.3.2a: Indicele de refracție și indicele de refracție de grup ng al unei sticle de cuarț în funcție de lungimea de undă [14]

Dispersia ghidului de undă DW: Dispersia ghidului de undă DW apare deoarece undele din ghidul optic nu se propagă într-un mediu omogen, ci sunt limitate de structura fibrei. Dispersia ghidului de undă este dependentă de diametrul miezului fibrei și de profilul indicelui de refracție.

În dispersia totală D = DM + DW se face o deplasare a lui λZD de 30 – 40 nm, în așa fel încât dispersia totală la valoarea de 1.31 μm este nulă.

2.4 Sistem de transmisiune optic:

Fig.2.4 a Sistem de transmisiune optic

Componentele unui sistem optic se pot vedea in figura 2.4 a și detaliate în cele ce urmează:

-Un flux serial de biți în formă electrică este reprezentat de un modulator, care codifică datele corespunzător transmisiei prin firbă optică.

-O sursă de lumină (Laser sau LED – Light Emitting Diode) este condusă de modulator, iar lumina este focalizată în fibra optică.

-Lumina călătorește prin fibră, unde întâmpină fenomene de dispersie dar și de pierdere de putere.

-La capătul receptorului, se află un detector, unde lumina este convertită sub forma electrică.

-Semnalul este apoi amplificat și alimentat la alt detector, ce izolează individual aceste modificări de formă cât și durata de timp. Se decodifică apoi și se reconstituie secvența de bți originală. [10]

Capitolul 3: Rețele WDM

În comunicațiile cu fibra optică, multiplexarea cu divizarea lungimii de unda (en: ”Wavelength Division Multiplexing” – WDM) este o tehnologie care multiplexează un număr de semnale optice purtătoare pe o singura fibra optică utilizând diferite lungimi de undă ale luminii laser. Se permite astfel comunicatrea bidirectională peste un fir de fibre și multiplicarea capacității.

Termenul de WDM este aplicat unui purtător optic (care este de obicei descris de lungimea sa de unda), în timp ce divizarea frecvenței de multiplexare în mod obișnuit se aplică la un purtător radio (cel mai adesea descris de frecvență). Lungimea de undă și frecvența sunt intercorelate prin relația , unde c este viteza de propagare a luminii în vid.

Un sistem WDM folosește un multiplexor la transmițător pentru a intercepta semnalele împreună și un demultiplexor la receptor pentru a le împărți. În sistemele WDM, fiecare canal optic rămâne independent de restul canalelor optice ca și când ar utiliza propria sa pereche de fibre. Sistemele WDM digitale permit rate de bit și protocoale de acces independente pe aceeași fibră optică. De aceea, diferitele formate de date optice digitale, utilizând diferite rate de date, pot fi transmise în formatele lor inițiale prin aceeași fibră.

WDM se bazează pe abilitatea unei fibre optice de a transporta mai multe lungimi de undă diferite (culori) simultan, fară interferențe mutuale. Fiecare lungime de undă reprezintă un canal optic in fibră.

Figura 3.1 – Canal de tranmisiune cu WDM

Avantaje ale utilizării WDM:

Creșterea capacității de transmisie – în cazul unei lungimi de undă ce suportă o transmisie independentă de zeci de Gbps, fibra va suporta o transmisie care crește cu fiecare lungime de undă aditională (creștere lățimii benzii).

Transparența – fiecare canal de transmisie suportă orice format de transmisie simultan și independent (analog/digital).

Rutarea lungimilor de undă – calea de transmisie a unui semnal poate fi rutată prin conversia lungimilor de undă la nodurile intermediare ale rețelei.

Scalabilitatea – extinderea rețelei prin adăugarea echipamentelor intermediare.

Ca aplicabilitate în dezvoltarea rețelelor de telecomunicații, se poate vorbi conceptual despre FTTH (“Fiber to the Home”) cu ajutorul WDM-PON (“Passive Optical Network), fiind în curs de dezvoltare ca o soluție pe termen lung în rețelele moderne.

Capitolul 4: Optical Systems (Optiwave) — WDM Design

Simularea unui model de transmisiune optic cu 8 canale cu ajutorul multiplexarii prin divizarea lungimii de unda, pentru un tronson optic de lungimea a 240 km. Prezentarea compnentelor librariei, a parametrilor de grup folositi, dar si a parametrilor de performanta, si analizorul BER (BER Analyzer).

Pentru aceasta simulare am folosit urmatorii parametrii de baza (“default parameters”): Rata de bit (Bit Rate), Lungimea secventei de biti( Bit sequence length) si rata de esantionare(Sampe rate).

Parametrii Layout-ului:

Pentru aceasta simulare am prestabilit urmatoarii parametrii:

Bit rate: 2.5*10^9 Bits/s

Sequence length: 128 bits

Figura 4.1 – Parametrii globali ai layout-ului

Transmitatoare:

Pentru a crea transmitatoarele sistemului WDM cu 8 canale, am folosit urmatoarele componente pentru layout-ul principal:

Am creat 8 modulatoare externe de laser: Transmitters Library > Optical Sources.- > CW Laser (continuous-wave laser) .

Am adaugat modulatorul Mach-Zender: Transmitters > Optical Modulators > Mach-Zehnder Modulator .

Am adaugat un generator de biti aleatori: Transmitters Library > Bit Sequence Generators > Pseudo-Random Bit Sequence Generator.

Am creat un generator de impulsuri Non-Return to Zero: Transmitters > Pulse Generators > Electrical > NRZ Pulse Generator

Pentru multiplexare, am folosit un WDM MUX cu 8 canale: WDM Multiplexers Library > Multiplexers -> WDM Mux 8×1.

Am connectat iesirile modulatoarelor Mach-Zehnder la intrarile Mux-ului.

Figura 4.2 – Crearea celor 8 transmitatoare

Figura 4.3 – Parametrii folosiți pentru CW Laser

Figura 4.4 – Canale de frecvență ce intră în MUX

Testarea tranmisiunii:

Pentru a verifica setarile modelului, am folosit un analizor de spectru si un analizor al WDM-ului pe care le-am legat la iesirea WDM Mux-ului. Am obtinut astfel spectrul semnalului si puterea totala pentru fiecare canal in parte.

Visualizer Library > Optical > Optical Spectrum Analyzer

Visualizer Library > Optical > WDM Analyzer

Figura 4.5 – Adăugarea modulelor de vizualizare a semnalelor

Graficul analizorului de spectru arata cele 8 canale la distanta egala unul fata de altul.

Figura 4.6 – Graficul analizei spectrale

Analizorul WDM ofera rezultatele numerice pentru cele 8 canale. Pentru o vizualizare mai buna am exportat datele in tabelul de mai jos.Puterea semnalului mediat pentru fiecare canal este de aproximativ -3.3 dBm, iar rezolutia benzii este de 0.1 nm.

Figura 4.7 Vizualizarea parametrilor celor 8 canale

Tabelul 4.1: Parametrii canalelor exportați de Analizorul WDM:

Canalul de transmisiune – Adăugarea tronsonului de fibră optică:

Figura 4.8 – Adăugarea tronsonului de fibră optică

Am simulat o fibră optică de 80 km pe care am conectat-o la un amplificator EDFA (Erbium-Doped Fiber Amplifier). Acesta este un repetor folosit pentru a amplifica intensitatea semnalului optic ce este transmis prin fibră. Apoi am adăugat o buclă prin care semnalul trece de 3 ori pe tronsonul menționat, propagându-se pe o distanță de 80 km x 3 = 240 km. Am adăugat apoi încă un tronson de fibră de 100 de km. după cum se observă în Figura 4.8 .

Parametrii fibrei optice:

Figura 4.9 – Parametrii fibrei optice

Parametrii amplificatorului EDFA:

Figura 4.10 – Parametrii amplificatorului EDFA

Am adăugat apoi demultiplexorul: Default > WDM Multiplexers Library > Demultiplexers > WDM Demux 1×8.

Pentru a vizualiza semnalul, am adăugat: “Optical Spectrum Analyzer” și “WDM Analyzer” la primul port de ieșire al WDM Demux 1×8, corespunzător frecvenței de 193.1 THz.

Rezultate obținute după demultiplexare:

Figura 4.11 – Analiza spectrului după demultiplexare

Vizualizarea parametrilor pentru fiecare frecvență a canalelor după demultiplexare:

Figura 4.12 – Vizualizarea parametrilor afișați de WDM după demultiplexare

Tabelul 4.2: Parametrii ai WDM

Receptor:

Am adăugat un fotodetector și un filtru Bessel. Am folosit un fotodetector PIN (Default > Receivers Library > Photodetectors.>Photodetector PIN) și un filtru trece jos de tip Bessel:

(Default > Filters Library > Electrical >Low Pass Bessel Filter), prezentate în figura 4.13.

Figura 4.13 – Modulul de recepție al sistemului

Simularea performanțelor sistemului:

Cel mai utilizat model de vizualizare în sistemele de telecomunicații este rata erorilor de bit (BER – Bit error rate). Prin analiza BER se pot atat vizualiza și receptiona componente care simulează conversia impulsurilor electrice în impulsuri logice “0” sau “1”. Astfel se pot afișa parametrii ca: factorul de calitate, rata erorilor de bit și diagrama ochiului.

Cu ajutorul modulului BER Analyzer (“Bitt Error Rate Analyzer”) am modelat performanțele sistemului simulat. Am obținut astfel simulari pentru: BER (“rata biților de eroare”), “Q-factor” (factorul de caliltate), “threshold” (prag) și diagrama ochiului (“Eye aperture”) a sistemului. Prezint în continuare parametrii de performanță.

Factorul de calitate:

Figura 4.14 – Factorul de calitate simulat de modulul BER Analyzer

Figura 4.15 – Factorul de calitate implementat în diagrama ochiului

Min BER:

Figura 4.16 – Min BER reprezentat de BER Analyzer

Figura 4.17 – Min BER reprezentat în diagrama ochiului

Threshold(prag):

Figura 4.18 – Threshold of BER analyzer

Figura 4.19 – Threshold Eye Diagram

Înălțimea ochiului:

Figura 4.20 – Height BER Analyzer

Figura 4.21 – Height Eye Diagram

BER Pattern:

Figura 4.22 – BER Pattern of BER Analyzer

Figura 4.23 – BER Pattern Eye Analyzer

Figura 4.24 – Modelarea 3D a BER

Bibliografie:

DEACONESCU,Răzvan,“Retele Locale”,București ,Printech(2008)

CISCO – CNNA 1, Version 5

Andrew S. Tanenbaum, Rețele de calculatoare, Byblos, 2003

Jim Murray, Physical vs. Logical Topologies, 2008

http://shannon.etc.upt.ro/laboratoare/rcd/rcd_laborator.pdf,2013

http://ro.wikipedia.org/wiki/Fibr%C4%83_optic%C4%83 – Fibră optică accesat la data 12.06.2015, ora 12:45

http://www.transition.com/TransitionNetworks/Uploads/Literature/fiber_wp.pdf – accesat la data 14.06.2015, ora 14:48

http://syedatnsu.tripod.com/optical.pdf

9. MANEA,Adrian, Note de Curs Curs “Sisteme Optice de Comunicații”, București, UPB, 2015

10. DUTTON, Harry J. R, “Understanding Optical Communications”, North Carolina, IBM Corporation, International Technical Support Organization, 1998

11. ftp.utcluj.ro/pub/users/peculea/RC/Laboratoare/RC2.doc- FIBRE OPTICE ȘI COMPONENTE OPTICE

12. etti.poly.ro/cursuri/anul%20III/mt/platforma%20mt/parametrii_FO.doc – Parametrii fibrei optice, accesat la 17.06.2015 ora 18:20.

13. http://www.mitr.p.lodz.pl/evu/lectures/Abramczyk1.pdf – FUNDAMENTALS OF OPTICAL FIBER TRANSMISSION, Max Born Institute, Marie Curie Chair, Berlin

14. Govind P. Agrawal, “Fiber-Optic Comunnication Systems”, John Wiley & Sons, Inc., 1997.