PRIMENA BEŽINOG OPTIKOG PRENOSA U KABLOVSKO DISTRIBUTIVNIM SISTEMIMA

Transcription

1 PRIMENA BEŽING PTIKG PRENSA U KABLVSK DISTRIBUTIVNIM SISTEMIMA Borivoje M. Milosavljevi, Aleksandar Stojanovi, Aleksandar Maksimovi RJ KDS JP PTT saobraaja "Srbija" I Uvod snovne karakteristike kablovsko distributivnih sistema (KDS) ogledaju se u kvalitetnoj distribuciji signala kroz mrežu i mogunosti pružanja velikog broja postojeih i mnogih buduih multimedijalnih servisa. Uvoenjem povratnog smera u mreži omoguena je implementacija interaktivnih servisa, ime KDS prestaje da služi samo kao ispomo zemaljskoj radio i TV difuziji, ve prerasta u pravu multimedijalnu širokopojasnu telekomunikacionu mrežu. Glanva prednost KDS-a, u odnosu na druge telekomunikacione sisteme prenosa, potie od kvalitetnog medija za prenos, što je u ovom sluaju optiko vlakno, odnosno koaksijalan kabl. Kod koaksijalnih i pogotovo optikih kablova ne postoje smetnje u smislu interferencija i refleksija, kao što je to sluaj u vazduhu. Takoe, slabljenja su sa porastom frekvencije (kod optikog kabla ni ne postoje) znatno manja nego kod bežinog prenosa. Ne postoje ''zone senki'' pri prijemu, niti uticaj vremenskih prilika ili doba dana na kvalitet prenosa, što je karakteristika pri bežinom prenosu. Propusni opseg nije striktno ogranien za odreene servise (policija, avio saobraaj, mobilna telefonija itd.), dok je bezbednost komuniciranja na znatno višem nivou obzirom da je smanjena verovatnoa presretanja informacija od neautorizovanog korisnika. Pored oiglednih prednosti u odnosu na druge sisteme prenosa, KDS ima i znaajne nedostatke koje treba detaljno razmotriti. Najvei nedostatak ovih sistema su izuzetno velika inicijalna ulaganja u infrastrukturu. Naime, najvei deo troškova pri realizaciji jednog kablovsko distributivnog sistema predstavlja polaganje kablova pod zemlju, jer su graevinski radovi esto veoma komplikovani i skupi. Tamo gde je mogue kopanje, neophodno je pribaviti veliki broj dozvola za polaganje kablova (kopanje zelenih površina, asfaltiranih ulica, trotoara, prilaza zgradama itd.), pa je potrebno i dosta vremena do potpune realizacije projekta. U urbanim sredinama je naroito komplikovano postavljanje nove kablovske infrastrukture, ukoliko ve ne postoji kablovska kanalizacija, ili nije dostupna za korišenje. Za raskopavanje ulica radi postavljanja telekomunikacionih kablova teško se mogu dobiti dozvole iz razloga što se zaustavlja saobraaj na odreeno vreme i stvaraju nepotrebne gužve. Takoe, problem predstavlja i vlasništvo teritorije koja treba da se prekopava radi postavljanja kablovske infrastrukture, jer esto vlasnici planiranog zemljišta za polaganje kablova, nisu voljni da se na njihovoj imovini vrše bilo kakvi graevinski radovi. Treba uzeti u obzir kao važan faktor i vreme realizacije jednog kablovsko distributivnog sistema. bzirom na navedene probleme, realizacija KDS-a može trajati nekoliko godina, s tim da period povraaja uloženih sredstava za kablovskog operatora ne poinje odmah, nego u naješem sluaju za 5 do 10 godina od trenutka poetka izgradnje. Imajui na umu da konkurencija u vidu kablovskih i drugih mrežnih operatora ''ne spava'', zauzimanje odreene teritorije sa potencijalnim korisnicima postaje glavni cilj KDS operatora, bez obzira na pomenute probleme. U takvim situacijama, kada postoji odreena teritorija sa velikim brojem potencijalnih korisnika, a ne postoji jasna mogunost da se taj deo brzo kablovski pokrije i poveže sa ostatkom mreže, treba pribei alternativnim rešenjima, odnosno upotrebom bežinog linka kao mosta izmeu dva dela KDS mreže jednog kablovskog operatora. Na taj nain mogue je umrežavanje kada nijedan drugi vid komunikacija nije mogu ili brzo ostvarljiv, i to po niskim cenama. II Bežian link kao alternativa kablu u KDS-u Bežian prenos ima tu osobinu da se implementira svugde i to brzo, bilo u smislu protoka, bilo u smislu brzine realizacije. Sa konvergencijom mikrotalasa, optike i mrežnih tehnologija, ekspanzija telekomunikacionih mreža preko bežinih linkova, uglavnom do udaljenih lokacija, postaje sa stanovišta cena veoma prihvatljiva opcija za mnoge organizacije, srednja i velika preduzea, kao i kablovske operatore. Bežian optiki prenos se može primeniti kao alternativa optikom kablu u transportnoj mreži radi povezivanja glavne stanice i distribucionog vora, odnosno hub-a. vo je naješe sluaj u urbanim sredinama ili ak i u ruralnim, kada distribucioni vor pokriva deo mreže koja se ne može brzo kablovski povezati sa ostatkom mreže (slika 1). vaj metod je naroito efikasan za vreme ili neposredno posle nove izgradnje infrastrukture, kada još nije uspostavljena širokopojasna veza preko optikih kablova. Na primer, u gusto naseljenoj prigradskoj zoni postoji veliki broj potencijalnih korisnika koji žele uvoenje kablovsko distributivnog sistema i u njihov kraj. Meutim, ukoliko je glavna stanica KDS operatora dosta udaljena od pomenute prigradske zone, onda se može primeniti bežian link kao most izmeu glavne stanice i hub-a koji bi se instalirao u prigradskoj zoni sa velikim brojem potencijalnih pretplatnika.

2 Transportna mreža Bežina pristupna mreža Distributivna mreža pristupna mreža koaksijalni pojaavai ptiki bežini prenos predstavlja nadolazeu tehnologiju bežinog širokopojasnog prenosa koji zahteva postojanje optike vidljivosti izmeu predajnika i prijemnika. Umesto optikog kabla kao medij za prenos se koristi vazduh kroz koga se prostire laserski snop. To je u osnovi i najbitnija razlika izmeu optikog kablovskog i bežinog prenosa, jer je optiko vlakno medij ije se karakteristike prenosa znaju unapred (poput slabljenja, disperzije itd.), dok je vazduh nestabilan medij i njegove karakteristike nisu poznate unapred. Na ovom mestu je interesantno podsetiti da se svetlost prostire brže kroz vazduh ( C 0, odnosno približno brzini svetlosti u vakuumu) nego kroz optiko vlakno ( 2/3 C 0 ). Slika 1: Bežian prenos kao alternativa kablu u KDS-u Na taj nain bi KDS operator brzo reagovao na tržištu i pridobio novi broj korisnika, ne ekajui mnogobrojne dozvole potrebne za polaganje i vreme neophodno za izgradnju nove kablovske infrastrukture do potencijalnih korisnika. Sami korisnici bili bi zadovoljni brzinom prikljuenja na kablovsko distributivni sistem, pa bi mogli da koriste mnogobrojne servise koje pruža mrežni operator. Meutim, optiki kabl ima mnogobrojne prednosti u pogledu kvaliteta prenosa u odnosu na vazduh. Pred KDS operatora se namee težak zadatak da isprojektuje i realizuje bežian link u nestabilnom okruženju koji e u najveoj meri moi da privremeno zameni optiki kabl. Za realizaciju bežinog prenosa u transportnoj mreži mogue je koristiti radio relejni prenos ili optiki bežini link (FS - Free Space ptic), obzirom da je potrebno obezbediti veze tipa ''taka-taka''. [1] Veoma je važno na ovom mestu istai da bežian prenos u KDS-u treba da predstavlja samo privremeno rešenje, dok se ne realizuje kablovska infrastruktura u potpunosti, obzirom da je krajnji cilj svakog kablovskog operatora uvoenje optike do samog korisnika (Fiber To The Home). III Bežian optiki link U pogledu zakona fizike, veoma je jednostavno uspostaviti radio link tipa ''taka-taka''. Potrebno je samo da se predajnik i prijemnik dobro usmere i da postoji optika vidljivost izmeu njih (ukoliko su u pitanju uestanosti ~ GHz). Meutim, u stvarnosti je situacija nešto drugaija, imajui u vidu problem interferencije, pa je zbog toga esto za uspostavljanje potrebnog radio linka neophodno nabaviti skupe licence za korišenje odreenog frekvencijskog opsega, a koje se ne izdaju brzo i lako. Mogua alternativa radio linku je optiki bežini prenos, obzirom da nije potrebno pribaviti bilo kakve dozvole da bi se kao predajnik, odnosno prijemnik koristili optiki ureaji (iznad 300 GHz ( 1 mm) ne postoji regulisanje spektra niti izdavanje licenci). Imajui u vidu da jedan laserski snop ima vei propusni opseg od kompletnog radio spektra, prednost je oigledno na strani optikog u odnosu na radio link. U upotrebi je naješe infracrveni deo spektra (kao što je prikazano na slici 2), obzirom da se isti opsezi koriste i pri prenosu kroz optika vlakna. U pitanju su tri optika prozora: I nm (375 THz), II nm (230 THz) i III nm (194 THz). Na ovaj nain kod bežinih optikih sistema mogue je koristiti opremu koja se koristi i kod kablovskih optikih sistema odnosno lasere, prijemnike, pojaavae, DWDM ureaje i drugu slinu opremu. [2] Slika 2: Frekvencijski raspored optikog dela spektra Važno je još napomenuti da ovi sistemi omoguavaju razliite digitalne protoke (10, 20, 52, 155, 622 Mbps i 2.5 Gbps), što do sada ne može da ponudi ni jedna druga bežina tehnologija prenosa. Na ovaj nain optiki bežian prenos postaje realna alternativa tehnologijama FTTH i FTTB u pristupnim mrežama. Takoe, neophodno je istai da je tehnika bežinog optikog prenosa nezavisna od protokola i ima mogunost prenosa bilo kog tipa saobraaja (analogni, Ethernet, Fast Ethernet, Gigabit Ethernet, SDH, ATM itd.), obzirom da je u pitanju fiziki sloj SI modela. Inae sistem se sastoji od optikog ureaja koji ima integrisan i predajnik i prijemnik, da bi se omoguila dvosmerna komunikacija (full duplex). Sam ureaj je povezan sa dva optika vlakna, odnosno laserski predajnik na jedno vlakno, a prijemnik na drugo (slika 3). [3] Slika 3: prema za optiki bežini prenos

3 Za realizaciju optikog bežinog linka potrebno je postaviti dva ovakva ureaja, odnosno po jedan na svaki kraj linka, ali tako da izmeu njih postoji optika vidljivost. Domet linka je znaajno ogranien i da bi link bio veoma pouzdan (99.999% vremena) ne preporuuje se rastojanje vee od 5 km. Kao i u ostalim tehnologijama bežinog prenosa, postoje kompromisi izmeu dometa i performansi sistema. Na ovom mestu je veoma važno istai da protok podataka ne zavisi od dometa, obzirom da e linkovi od 10 Mbps odnosno 2.5 Gbps raditi isto u istim uslovima. vakvi veliki protoci naješe se ostvaruju jednostavnim pojaavanjem optikog signala koji dolazi iz vlakna, umesto generisanja novog. Bežian optiki prenos se u transportnoj mreži može primeniti za povezivanje glavne stanice i distribucionog vora (hub-a), ukoliko postoji optika vidljivost izmeu njih i ukoliko domet nije vei od 5 km (slika 4). U tom sluaju jedan optiki ureaj bi se postavio na strani glavne stanice dok bi se drugi postavio u distribucionom voru ili njegovoj neposrednoj blizini (ukoliko ne postoji direktna optika vidljivost). Inae, sami ureaji mogu se postaviti na krovu nekih visokih zgrada, ili ak u zatvorenim prostorijama iza prozorskih stakala. Slika 4: Bežian optiki prenos u transportnoj mreži mogue situacije Meutim, ovakav link se može koristiti (jednom ili više puta) i samo na odreenoj deonici izmeu glavne stanice i distribucionog vora radi premošavanja odreenog dela trase, ili ukoliko je meusobno rastojanje izmeu glavne stanice i distribucionog vora znatno vee (meusobna rastojanja mogu biti ak i do 50 km). U tom sluaju potrebno je odrediti objekat koji se nalazi na trasi izmeu glavne stanice i hub-a, a koji ima dominantan položaj u smislu da je postavljanjem optikog ureaja na krov pomenutog objekta mogue uspostaviti optiku vidljivost sa ureajem smeštenim u glavnoj stanici ili u hub-u, u zavisnosti na kojoj se deonici želi uspostaviti bežini optiki link. Treba imati u vidu da se sa poveanjem broja bežinih optikih deonica na samo jednoj trasi, znaajno poveava i cena realizacije tog dela mreže. U tom sluaju potrebno je napraviti kompromise izmeu brzine povezivanja glavne stanice sa odreenim hub-om i cene same trase. Blok šema povezivanja opreme u Glavnoj stanici data je na slici 5. ) $! %& ' $ $( ) *'( Satellite " # Glavna stanica Slika 5: Povezivanje opreme u glavnoj stanici no što je karakteristino za tehnologiju bežinog optikog prenosa je to što je oprema relativno jeftina i brzo se instalira. U poreenju sa cenom odreenog kablovskog optikog linka, ukoliko bi se uspostavio bežini optiki link uštedelo bi se ak i do 7 puta u odnosu na troškove uspostavljanja samog kablovskog linka. Takoe, period uspostavljanja bežinog optikog linka meri se satima, u najgorem sluaju danima, dok je za ekvivaletno uspostavljanje optikog kablovskog linka potrebno više meseci, nakon pribavljenih svih dozvola. Što se tie prenosnih karakteristika opreme za bežini optiki prenos, najvei svetski proizvoai ove opreme (Canon, MRV Communications, LightPointe, Cisco, Lucent, Nortel, Corning...) uglavnim su standardizovali i usaglasili postupak proizvodnje ovih ureaja, ime su izbegnuti tzv. ''proprietary'' sistemi. IV Nedostaci bežinog optikog prenosa Možda se do sada iz svega navedenog može zakljuiti da bežini optiki link predstavlja optimalnu alternativu optikom kablu, meutim postoje mnogi problemi koje je potrebno rešiti da bi pomenuti zakljuak zaista važio i u realnim uslovima. Na performanse samog bežinog optikog linka utiu mnogi parametri, ime ga još uvek znaajno udaljuju od performansi optikog kabla. Ve je napomenuto da digitalni protok ne zavisi od karakteristika samog medija za prenos, odnosno vazduha. Jednom reju, u istim vremenskim uslovima podjednako dobro e raditi bežini optiki link na 10 Mbps i na 2.5 Gbps (što nije sluaj kod radio prenosa). no na šta vremenski uslovi znaajno utiu je domet linka. Prilikom proticanja laserskog snopa kroz vazduh, na slabljenje utiu same karakteristike vazduha (ak i pri idealnim vremenskim uslovima), zatim kiša, toplota i najviše od svega magla. Tipian optiki bežian link ima rezervu od ~20 db, odnosno ovaj podatak ukazuje koliko izgubljene snage može sebi link da priušti pre nego što prestane da radi. Pod idealnim atmosferskim uslovima vazduh ima slabljenje približno 1 db/km (u optikom vlaknu ovo slabljenje je 4 puta manje od db/km), pa je maksimalni domet linka 20 km. Treba imati u vidu da su atmosferski uslovi retko kad idealni, odnosno da je mali procenat vremena kada optiki link zaista može postii pomenutih 20 km. '! /0., *

4 U Tabeli 1 prikazano je kakav je uticaj odreenih vremenskih i drugih uslova na bežian optiki prenos. Pri tome su date uporedne karakteristike za bežian optiki link i radio prenos na visokim uestanostima. Bežian Radio prenos Uslovi propagacije optiki prenos 60 GHz Vedro -1 db/km -15 db/km Ptice,krošnje drvea neprobojno 0-20 db Izmaglica vidljivost 400m -25 db/km -1 db/km Srednja magla vidljivost 100m -120 db/km -1 db/km Gusta magla vidljivost 40m -300 db/km -1 db/km Slaba kiša 25 mm/h -10 db/km -10 db/km Jaka kiša 150 mm/h -25 db/km -40 db/km Tabela 1: Uticaj vremenskih prilika na bežian link Poveanjem snage emitovanja može se kod lasera poveati rezerva linka, meutim i tu postoje problemi. Poveanje rezerve za 10 db zahteva 10 puta veu snagu lasera, ime se znaajno poveavaju troškovi, veliina opreme i snaga napajanja. Takoe velika snaga lasera može štetno da utie na svakoga ko se nae na putu laserskog snopa. Meutim, što se magle tie, tu je problem znatno vei. Potrebno je voditi rauna da se ovakvi sistemi ne primenjuju u mestima gde je magla esta (kotline, pored reke, planinski predeli, itd.). U sluaju podruja gde postoji vei broj maglovitih dana u toku godine, umesto bežinog optikog linka mogue je koristiti radio prenos na visokim uestanostima iz razloga što se u radio prenosu koriste znatno niže uestanosti (25 50 GHz) u odnosu na optiki (~375 THz), pa elektromagnetni talasi lakše prodiru i kroz gustu maglu. Pouzdanost linka može se poveati upotrebom prostornog diversitija radi uspostavljanja redundantnog linka u sluaju otkaza, pažljivim planiranjem i odreivanjem pozicija za predajnik i prijemnik, kao i adekvatnom analizom margine linka. Takoe, zbog širenja talasa i njihanja zgrada usled vetra i seizmikih pojava, potrebno je koristiti sofisticirane ureaje za praenje pozicije predajnika i prijemnika. Smanjivanjem rastojanja izmeu predajnika i prijemnika se takoe doprinosi pouzdanosti linka. V Zakljuak Korist od upotrebe bežinog prenosa u KDS-u sa stanovišta mrežnog operatora ogleda se u tome da se na tržištu, koje je tek poelo kod nas da se razvija i na kome postoji velika konkurencija, brzo reaguje sa znatno manjim poetnim ulaganjima, nego što bi to bio sluaj ukoliko bi celokupna mrežna infrastruktura bila kablovska. Treba imati u vidu da postoji opravdan porast interesovanja kablovskih operatora za brzim uešem na rastuem tržištu sa što je mogue manjim poetnim ulaganjima, da bi se pokrila što vea teritorija sa potencijalnim korisnicima, ime se naravno može ostvariti i vei profit. S druge strane, korist od upotrebe bežinog prenosa u KDS-u ima i krajnji korisnik, obzirom da mu se mogu ponuditi mnogobrojni telekomunikacioni servisi znatno brže, nego što bi to bilo u sluaju izgradnje kompletne kablovske infrastrukture. Prava prednost primene fiksnog bežinog širokopojasnog prenosa u odnosu na kablovski u okviru kablovsko distributivnog sistema, ogleda se u finansijskom domenu. Finansijske pogodnosti za primenu bežinih linkova (mreža) potiu od prednosti i fleksiblinosti postojeih tehnologija bežinog prenosa. Inicijalna ulaganja u realizaciju bežine infrastrukture su esto mnogo manja po pojedinanom pretplatniku nego za realizaciju koaksijalne ili optike mreže. snovni nedostaci koji se javljaju kod bežinog optikog prenosa ogledaju se u samom kvalitetu medija za prenos, odnosno vazduhu koji je nestabilan, pa je domet bežinog linka znatno krai. Mreža se mora projektovati tako da predvidi sve mogue situacije u promeni karakteristika medija za prenos. Uticaj vremena je znaajan ukoliko se ne koristi skremblovanje ili kompresija. Uglavnom se može oekivati 8-14 dana u toku godine kada servis ne radi (u proseku). Meutim, ukoliko se koristi prenos digitalnih signala, sam sistem je znatno otporniji na vremenske prilike, obzirom da su digitalni signali po svojoj prirodi imuniji na šum od analognih signala. Samim tim broj dana u toku godine kada servis ne radi je znatno manji (1-5), što naravno zavisi i od vremenskih prilika na posmatranom podruju. Potencijalan profit, niska inicijalna ulaganja, minimalan rizik i veliki zahtevi tržišta ine bežini optiki prenos dragocenim delom mrežne infrastrukture bilo kog kablovskog operatora. Meutim, veoma je važno na kraju još jednom istai da primena bežinog prenosa u kablovsko distributivnim sistemima treba da predstavlja samo privremeno rešenje, dok se u dogledno vreme ne izgradi u potpunosti kablovska infrastruktura. Prednost u kvalitetu medija za prenos je oigledno na strani optikog kabla, a kvalitet prenetih signala najviše i zanima pretplatnika. Krajnji cilj svakog KDS operatora treba da bude uvoenje optike do samog krajnjeg korisnika. LITERATURA [1] LIGHT READING, Free Space ptics, [2] LIGHT PINTE, FS and Fiber: Complementary tehcnologies, [3] Free Space ptics INsight, Abstract: In this paper Free Space ptics (FS) is presented as emerging technology that could replace fibre optic in some parts of the cable network. Essential diference between FS and fiber optic is in transfer medium: instead of fiber, laser beam is conveyed through an air. FS is much cheaper and easier to implement instead of fiber optic. That's why this technology is so attractive to network providers. FS is point-to-point technology and can be used in transport network of cable distribution system, to connect head end with hub(s). However, a considerable obstacle is fog, so it is necessary to establish realible link immune to weather condition. TITLE F THE PAPER IN ENGLISH, Free Space ptics in Cable Distribution Systems NAMES F THE AUTHRS Borivoje M.Milosavljevi, B.Sc.E.E.

5 Aleksandar Stojanovi, B.Sc.E.E. Aleksandar Maksimovi, B.Sc.E.E.