Optické přístupové sítě

Stále se zvyšující požadavky nových služeb na šířku pásma metalických přenosových cest vedly ke vzniku řady projektů. Metalické rozvody tlaku širokopásmových služeb a požadavkům uživatelů odolávají jen velmi těžce. Se zdokonalováním technologie výroby optických vláken klesal jejich útlum a rostla tak překlenutelná vzdálenost, takže aplikace v telekomunikacích na sebe nedala dlouho čekat.

O projektech „Fibre to the Home“ neboli „optické vlákno do domu“ se vede diskuze již několik let. Teprve nyní je realizace těchto projektů ekonomicky přijatelná, především pak díky technologii PON (Passive Optical Networking). Rozhodující výhodou této technologie je, že při výstavbě optické distribuční infrastruktury nevyžaduje instalaci nákladných aktivních prvků, ale využívá pasivních odbočovacích prvků. Náklady na realizaci optické infrastruktury v přístupové síti jsou tak cenově srovnatelné s náklady, vynaloženými na realizaci pomocí klasických metalických rozvodů. Ovšem poměr výkon–cena i perspektivní možnost zvyšování přenosových kapacit bez větších investic, stejně jako zavádění nových služeb vysokorychlostního Internetu, mluví jednoznačně ve prospěch optického vlákna. Obrovská přenosová šířka pásma, jakou poskytují optické přístupové infrastruktury, umožňuje nabídnout uživatelům plnohodnotné služby – sledovat televizi, telefonovat a „surfovat“ na Internetu. Optické vlákno se tak díky své univerzálnosti a téměř neomezené šířce pásma stává ideálním médiem pro komunikaci a zábavu.

Obr. 73: Struktura FTTH

Optická přístupová síť OAN (Optical Access Network)

Je to síťová distribuční infrastruktura, která zprostředkovává konektivitu uživatele se sítí, poskytující telekomunikační služby prostřednictvím optického vlákna. Ačkoli optická technologie byla donedávna výsadou páteřních a metropolitních síťových infrastruktur, je již dnes zřejmé, že se z dlouhodobého hlediska stanou standardem i sítí přístupových, neboť poměr výkon–cena je bezpochyby ohromující, stejně jako vyhlídky na možnosti zvyšování přenosové kapacity.

Základními funkčními celky tvořícími optickou přístupovou síť jsou:

optické linkové zakončení (OLT), jež zajišťuje funkce síťového rozhraní mezi sítí přístupovou a sítí zajišťující telekomunikační služby;
optická distribuční síť (ODN), představuje soubor optických přenosových prostředků mezi OLT a ONU či ONT;
optické ukončující jednotky (ONU), jež zprostředkovávají funkce rozhraní mezi optickou a metalickou částí přístupových sítí;
optické ukončující jednotky (ONT), jež zprostředkovávají funkce účastnického rozhraní mezi koncovými zařízeními účastníků a přístupovou sítí (VoIP, video, data).

Obr. 74: Blokové schéma přístupové sítě

Z hlediska umístění ukončujících jednotek ONU, ONT v optických přístupových sítích a způsobu jejich provedení (obr. 63), tj. podle toho, kde je v síti optické vlákno ukončeno, se rozlišují tyto typy optických přístupových sítí, z nichž jako základní jsou obvykle uváděny:

FTTC (Fibre To The Curb)–optické vlákno je přivedeno k uživatelskému rozvaděči, k němuž jsou koncové body sítě připojeny metalickými kabely;
FTTB (Fibre To The Building)–optické vlákno je přivedeno do budovy uživatelů, jednotliví uživatelé jsou však připojení pomocí vnitřní sítě, vnitřních účastnických rozvodů;
FTTO (Fibre To The Office)–optické vlákno je přivedeno až do prostor uživatelů s velkými nároky na přenosovou kapacitu;
FTTH (Fibre To The Home)–optické vlákno je zavedeno přímo do uživatelských zásuvek;
FTTN (Fibre to the Node)–přivádějí se optická vlákna k datovému uzlu Kabinet, k němuž jsou koncové body sítě připojeny metalickými kabely;
FTTD (Fibre to the Desk)–přivádějí se optická vlákna až na „stůl“ účastníků a jsou připojována přímo do CPE s optickým vstupem.

Systémy FTTC a FTTB se prakticky od sebe liší jen provedením skříní pro umístění koncového zařízení účastnického systému. Zařízení systémů FTTC jsou navrhována pro umístění na volném prostranství, což mimo jiné znamená i zvýšené požadavky na klimatickou odolnost. Všechny výše uvedené varianty lze samozřejmě v jedné síti kombinovat podle typu lokality.

Hlavním úkolem optické přístupové sítě je poskytování transportních služeb v duplexním režimu. Přenos optického signálu oběma směry bývá zpravidla zajištěn několika způsoby:

Simplexně s dělením SDM (Space Division Multiplex)–přenos je v každém směru uskutečněn po jednom optickém vlákně;
Duplexně s dělením WDM (Wavelength Division Multiplex)–přenos je uskutečněn po jednom optickém vlákně, sestupný směr s vlnovou délkou 1 490 nm a vzestupný směr vlnovou délkou 1 310 nm;
Duplexně s dělením FDM (Frequency Division Multiplex)–pro přenos signálů v obou směrech je použito jedno optické vlákno a jedna vlnová délka, směry přenosu jsou odděleny kmitočtově.

Topologie optických přístupových sítí je dána charakterem přenosových traktů, využívaných v distribuční infrastruktuře sítě, čili mezi ukončujícími jednotkami OLT a ONT:

bod–bod P2P (Point-to-Point), např. přímé spojení OLT a ONT;
mnohabodové P2MP (Point-to-Multi Point), např. pasivní optická síť.

Volba topologie optické přístupové sítě je závislá na parametrech, jakými jsou vzdálenost uživatele od ústředny CO (Central Office), v níž je umístěna jednotka OLT, či uživatelem požadované šířce přenosového pásma. Dalším faktorem, ovlivňujícím výběr topologie, je charakter optických komponent, využitých při distribuci optického vlákna, podle nichž rozdělujeme optické přístupové sítě do dvou základních skupin:

Aktivní optická síť AON (Active Optical Network), jež ve své distribuční infrastruktuře využívá aktivních optických prvků (zesilovače, aktivní odbočnice, muldexy apod.).
Pasivní optická síť PON (Passive Optical Network), jež ve své distribuční infrastruktuře využívá pouze pasivních prvků.

Pasivní optická síť PON

Pasivní optická síť PON (Passive Optical Network), představuje infrastrukturu optické přístupové sítě, která využívá k distribuci optického signálu pasivních optických síťových komponentů. Optická distribuční infrastruktura je tedy tvořena pouze pasivními optickými komponenty jako jsou optická vlákna, konektory a pasivní odbočnice. Pasivní optické odbočnice, optické rozdělovače (splitter) nebo rozbočovače umožňují sdílet kapacitu sítě zatím pro maximálně 128 uživatelů, pracujících v obou směrech. Jejich činností je rozdělení optického signálu do dílčích dopředných směrů ve směru sestupném a naopak ve směru vzestupném, sloučení dílčích signálů od jednotlivých uživatelů. Nevýhodou pasivní technologie je fakt, že dochází pouze k rozbočení optického signálu bez jakýchkoliv jiných úprav, jako jsou regenerace či zesílení signálu, které jsou typické pro aktivní komponenty. Z tohoto důvodu je vzdálenost do 20 km mezi jednotkami OLT (Optical Line Termination) na straně ústředny, na něž se připojují rozvětvenou strukturou optické rozbočovače. K nim se připojí optické síťové jednotky (Optical Network Unit, ONU, nebo také Optical Network Termination, ONT), do stromové, případně kruhové nebo hvězdicové topologie. Každá topologie má své pro a proti, a proto se vyplatí kombinovat uvedené základní topologie při respektování vlastností optických rozhraní. Vzdálenost mezi OLT a ONU může dosáhnout několika desítek kilometrů.

Topologie PON sítí

Distribuční infrastruktura přístupových PON sítí je realizována logickou topologií point-to-multipoint (P2MP), kdy je optický přenosový kanál sdílen několika uživateli, jak je znázorněno na obrázek 64. Toto sdílení přenosové kapacity umožňuje minimalizaci nákladů nejen telekomunikačních operátorů (počáteční náklady na připojení uživatele), ale také samotných uživatelů (nižší poplatky za poskytované služby). Pro sdílení přenosové kapacity je využito pasivních odbočnic, jejichž dělící poměr je volen s ohledem na zvolenou topologii distribuční infrastruktury. Nejčastěji jsou využívány odbočnice 1 : N pro realizaci stromové struktury (obr. 64a) či 2 : N, kdy je optický signál z jednotky OLT distribuován dvěma optickými vlákny (obr. 64d), kdy jedním jsou přenášena data a druhým video signál.

Obr. 75: Topologie využívané v PON sítích

Topologie PON sítí poskytuje mnoho výhod, jakými jsou:

snížení množství použitého optického vlákna, potřebného pro realizaci přístupové optické sítě;
eliminace potřeby instalovat aktivní prvky v distribuční infrastruktuře;
možnost jednodušší distribuce video signálu díky charakteru všesměrového vysílání v sestupném směru;
optické propojení OLT-ONT umožňuje nenákladné zvyšování přenosové kapacity a zavádění nových služeb.

V současnosti jsou však na straně PON jisté faktory, které jejich využívání omezují, zejména:

překlenovací útlum a vzdálenost mezi ONU a OLT do 20 km;
poměrně drahý pasivní rozbočovač (splitter) pro 16, 32, 64 nebo 128 vláken;
poměrně drahé OLT a ONU;
nemožnost vytvoření vícedodavatelského prostředí z důvodu nedokončené standardizace;
ekonomicky se vyplatí až teprve pro výstavbu velkých lokalit s vysokou penetrací zákazníků.

Počet uživatelů, resp. jejich síťových ukončujících jednotek ONT, začleněných v PON síti, stejně jako maximální vzdálenost mezi OLT a ONT, nejsou libovolné. Obecně všechny síťové optické prvky, které klademe do distribuční sítě, zvyšují její vložený útlum. Nejvyšší hodnotu vloženého útlumu představují právě pasivní odbočnice, určující počet uživatelů PON sítě. Jak maximální přípustné hodnoty vloženého útlumu, tak i maximální vzdálenosti mezi jednotkami OLT a ONT v PON sítích jsou upraveny standardy ITU-T (APON, BPON, GPON) či IEEE(EPON).

BPON – Broadband PON

BPON pracuje na ATM transportní vrstvě a je to nejstarší technologie PON (1999). Datový tok je pouze 155/622 Mbps pro upstream/downstream.

GPON – Specifikace gigabit PON

GPON je stále ve stadiu konečného návrhu na komisích ITU-T a FSAN. Technologie komplexně podporuje Generic Encapsulation Method (GEM) transportní vrstvy ATM, Ethernet i WDM protokoly. Rychlost datového toku je Down/Upstream 2,5/1,25 Gbps. Od prvků GPON se očekává nízká cena a vysoké nasazení v sítích PON.

GE-PON – Gigabit Ethernet paN

GE-PON specifikovaný jako Ethernet in the First Mile podle IEEE 802.3ah EFM je již standardizován a hojně nasazován zejména v Asii. Rychlost je symetrická 1 Gbps a používá nativní Ethernet protokol. Technologie je poměrně levná v porovnání s ATM-based paN. GE-PON zařízení dovedou spolupracovat s GPON zařízeními.

Technologie přenosu v PON sítích

Přenos oběma směry může být realizován buď samostatným optickým vláknem pro každý směr, nebo dnes častěji používaným řešením, které pro přenos využívá pouze jednoho optického vlákna pro oba směry. Tento přenos je možné realizovat díky technologii vlnového dělení WDM (Wavelength Division Multiplex). Pro každý směr přenosu je definováno optické záření o jiné vlnové délce. Pro přenos datového toku (data, hlas, IPTV) v sestupném směru je využita vlnová délka 1 490 nm, pro směr vzestupný je využita vlnová délka 1 310 nm. Přenos video signálu formou IPTV je uskutečněn společně s datovým tokem jedním optickým vláknem. Pro přenos RF (Radio Frequency) video signálu je zpravidla využito samostatné optické vlákno a vlnová délka 1 550 nm.

Komunikace pro sestupný směr je realizována mechanizmem, jenž využívá všesměrového šíření signálu. Obrázek výše zobrazuje, jak jsou kontinuálně vysílaná data jednotkou OLT šířena ke všem jednotkám ONT, přičemž každá z nich přijme pouze data jí příslušící. V opačném směru jsou data ze všech jednotek ONT vysílána simultánně k jednotce OLT na vlnové délce 1 310 nm. Aby při tomto způsobu komunikace nedocházelo ke kolizi dat z jednotlivých ONT, je nutné implementovat přenosový mechanizmus, který by těmto kolizím zabránil.

Obr. 76: Přenosové schéma PON sítě ve směru od OLT k ONT

Prvním způsobem, jak předejít kolizím dat z jednotlivých ONT jednotek, je využití vlnového dělení WDM (Wavelenght Division Multiplex). Princip této metody spočívá ve využití jiné vysílací vlnové délky pro každou z ONT jednotek. Aby bylo možné využít WDM přenosu, je nezbytné, aby byla jednotka OLT vybavena přeladitelným přijímačem či polem přijímačů, které by umožnilo příjem dat ze všech ONT. V teoretické rovině je toto řešení poměrně jednoduché. V praxi se ale pro svou finanční náročnost téměř nevyužívá.

Druhým, dnes nejpoužívanějším řešením odstraňujícím tyto kolize, je využití časového sdílení přístupu TDMA (Time Division Multiplex Access) viz obrázek 66. Tato metoda je založena na vkládání dat jednotkou ONT do „časového okénka“ nazývaného time slot. Každá z jednotek ONT vkládá svá data pouze do time slotů, které jsou pro ni vyhrazeny. Data umístěná do těchto time slotů jsou následně odesílána jednotce OLT.

Obr. 77: Přenosové schéma PON sítě ve směru od ONT k OLT

V důsledku různých vzdáleností mezi jednotkami ONT a OLT ve směru vzestupném může také docházet k různým konfliktům při časovém sdílení média. Tyto konflikty je možné odstranit vložením tzv. ochranné doby mezi jednotlivé time sloty. Velikost této ochranné doby musí být větší než maximální rozdíl dob šíření. Záleží na rozdílu vzdáleností nejbližší a nejvzdálenější jednotky ONT.

Specifikace PON sítí pro systémy FTTx

V roce 1995 bylo sedmi největšími světovými telekomunikačními operátory založeno sdružení nazvané Full Service Access Network (FSAN), jehož cílem byla standardizace a rozvíjení PON sítí viz tabulka 6. Tyto specifikace byly navrhovány s ohledem na to, aby uživatelům poskytly plnohodnotné širokopásmové služby, jakými jsou přenos hlasu, dat a videa. Pro distribuci těchto služeb byly organizací FSAN stanoveny příslušné vlnové délky. Pro přenos hlasu a dat ve směru od sítě k uživateli je použita vlnová délka 1 490 nm, ve směru od uživatele k síti je pro přenos hlasu a dat využita vlnová délka 1 310 nm. Pro přenos RF videa ve směru od sítě k uživateli byla stanovena vlnová délka 1 550 nm.

Tabulka 6: Parametry jednotlivých specifikací pasivních optických sítí

APON, BPON

Specifikace G.983.1 APON (ATM Based PON) byla schválena organizací ITU-T v roce 1998. Specifikace charakterizuje pasivní optickou síť, která pro přenos informací využívá asynchronního přenosu, tedy buněk ATM (Asynchronous Transfer Mode). Přenosové rychlosti jsou nabízeny ve dvou variantách: symetrická služba o rychlosti 155,52 Mbit/s a asymetrická služba ve směru od sítě k uživateli 622,08 Mbit/s a ve zpětném směru 155,52 Mbit/s. Dodatečně byla specifikace APON doplněna o symetrickou službu s rychlostí 622,08 Mbit/s.

Roku 2001 přijalo ITU-T specifikaci G.983.3 BPON (Broadband PON). Tato specifikace byla rozšířením předchozího standardu APON a využívá shodných služeb i přenosových rychlostí. Jako přenosového média je využito jednoho či dvou optických vláken G.652. Tyto specifikace podporují služby přenosu dat, hlasu a RF videa.

GPON

V roce 2003 byla organizací ITU-T schválena specifikace G.984.1 GPON (Gigabit Capable PON), která vychází ze specifikací G.983.x. Především pak rozšiřuje specifikaci G.983.1 ve smyslu rychlosti při zachování principů širokopásmového přístupového systému. Pro přenos informací využívá nejen buněk ATM, ale také metodu GEM (GPON Encapsulation Method). Tato metoda spočívá v „zapouzdřování“ dat do speciálních GPON rámců. To umožňuje využití paketově orientovaných služeb jako Ethernet či IP (Internet Protocol). ATM buňky i GEM rámce, nebo jejich fragmenty jsou přenášeny společně v rámcích s pevnou délkou 125 µs. Přenosové rychlosti jsou nabízeny ve dvou variantách. Buď jak symetrická služba o rychlostech 1 244,16 Mbit/s, 2 488,32 Mbit/s, anebo asymetrická služba ve směru od sítě k uživateli 1 244,16 Mbit/s, 2 488,32 Mbit/s a ve zpětném směru (upstream) 155,52 Mbit/s, 622,08 Mbit/s, 1 244,16 Mbit/s. Specifikace GPON umožňuje distribuci hlasu, dat a RF videa. Novinkou této specifikace je podpora distribuce přepínané IPTV.

EPON

Zavedení Ethernetu do přístupových sítí zajistila organizace IEEE přijetím specifikace IEEE 802.3ah. Tato specifikace bývá označována jako EPON (Ethernet Based PON) nebo také EFMF (Ethernet In First Mile Fibre). Cílem bylo zavedení standardu Ethernet až k uživateli, a tím zjednodušení navazování jednotlivých lokálních sítí. Pro přenos v obou směrech jsou využívány Ethernet rámce. EPON je navržen pro mnohabodovou síť, sdílející přenosové médium (P2MP), ale je možno emulovat i komunikaci bod-bod (P2PE Point To Point Emulation). Standardem IEEE 802.3ah jsou specifikovány dva typy rozhraní, které se liší dynamikou a optickými výkony. Typ 1000Base-PX10 je určen pro použití na vzdálenosti do 10 km s maximálním rozbočením 1:16. Typ 1000Base-PX20 je určen pro vzdálenosti do 20 km a rozbočením až 1:32. Přenosová rychlost byla stanovena na 1244,16 Mbit/s symetricky. Specifikace EPON rovněž umožňuje distribuci plnohodnotných služeb trojité hry (data, hlas, video-RF, IPTV) stejně jako specifikace GPON.

Systémy FTTH

Současným trendem telekomunikačních operátorů je snaha nabídnout uživateli co možná největší šířku přenosového pásma a s ní spojené služby. Širší veřejnost toto širokopásmové připojení vnímá ne z hlediska přenosové šířky pásma, ale především jako přenosovou rychlost, která je pro většinu uživatelů, nejlépe představována v Mbit/s. Je to právě veřejnost, která má vžitý trend, že čím vyšší přenosová rychlost, tím kvalitnější služby. Tomuto trendu není co vytknout, v případě, že telekomunikační operátor tyto služby nabízí. Každá služba totiž klade jiné nároky na potřebnou šířku přenosového pásma, a tak je zbytečná snaha uživatele hnát se za konektivitou s přenosovou rychlostí 10 Mbit/s v případě, že ji chce využívat pouze k telefonování a prohlížení webových stránek.

Rostoucí konkurence a snaha zajištění rentability vede operátory k implementaci stále nových služeb. Jednou z nich je „trojitá hra“ nebo také Triple Play. Jedná se o novou generaci služeb nabízejících přenos dat, hlasu a videa viz tabulka 7. Cílem jednotlivých telekomunikačních operátorů je uživateli nabídnout co nejkomplexnější balíček telekomunikačních služeb v rámci jediného připojení.

Tabulka 7: Rozdělení služeb poskytovaných v rámci Trojité hry

Obr. 78: Optický rozvaděč

Datové služby

Datové služby tvoří jeden ze tří segmentů služeb nabízených v rámci „trojité hry“. Do této skupiny jsou zahrnuty služby, jako domácí kancelář (SOHO), zdravotní služby (e-medicine, e-health service), výukové programy (e-learning), služby veřejné správy (e-government) apod. Zavádění a zdokonalování těchto služeb napomáhá ke zvyšování efektivity v mnoha oblastech lidských činností.

Domácí kancelář SOHO

Tato služba (SOHO, Small Office Home Office) je využívána především v oblastech s velkou hustotou obyvatelstva, kdy doprava do zaměstnání je mnohdy velmi zdlouhavá. Zaměstnavatel na své náklady zřídí zaměstnanci širokopásmové připojení k Internetu, díky kterému může zaměstnanec pracovat z pohodlí domova a díky širokopásmovému připojení sdílet firemní prostředky (datové linky, diskový prostor, interní telefonní linky apod.). Jako komunikačního prostředku pro komunikaci či případné obchodní schůzky je využito multimediálních služeb, jako např. video konferenční hovory či VoIP. Zájem o tento působ pracovního poměru roste, především pak ze strany zaměstnavatelů, neboť kromě finančních úspor přináší zvýšení efektivity práce. Zaměstnanci nejsou rozptylováni a zdržováni nepracovními rozhovory se svými kolegy a nejsou stresováni pracovním prostředím.

Zdravotní služby

V oblasti zdravotních služeb (e-medicine, e-health service) převládá využití multimediálních služeb formou video konferenčních hovorů, pomocí nichž může lékař z pohodlí své kanceláře stanovit v méně závažných případech diagnózy svých pacientů a šetřit tak jejich čas a zdraví, především pak, jedná-li se o starší lidi nebo jedince s pohybovými vadami. Lékař může touto formou také se svými pacienty konzultovat účinky předepsaných léků a podobně. Neméně významnou výhodou jsou odborné konzultace lékařů mezi dvěmi navzájem vzdálenými zařízeními či posílání různých forem dat (rentgenové snímky, zdravotní záznamy apod.).

Interaktivní výukové programy

Interaktivní výukové programy (e-learning, e-training) umožňují vzdělávání široké veřejnosti. Zpravidla jsou distribuovány formou interaktivního videa. Tato služba díky možné interakci uživatele s programem umožňuje i distanční formu studia. Ve spojení s využitím nabízených multimediálních služeb se uživatel může účastnit zkoušky nebo pracovat na skupinových projektech v reálném čase. V dnešní době již existuje mnoho programů podporovaných univerzitami, jež se zabývají formou dálkového studia s využitím širokopásmových multimediálních služeb.

Služby veřejné správy

Jedná se o soubor služeb (e-government), který má obyvatelům pomocí širokopásmového přístupu k Internetu pomoci řešit běžné problémy a záležitosti, a tím spořit jejich čas, který by jinak strávili na úřadech. Veškeré potřebné záležitosti (žádosti pro výdej pasu, občanského či řidičského průkazu apod.) je možno řešit vyplněním a odesláním elektronického formuláře. Tyto služby ušetří čas nejen obyvatelům, ale také úředníkům veřejné správy, kteří takto ušetřený čas mohou využít pro rychlejší vyřízení požadavků.

Bezpečnostní systémy, monitoring

Jedná se o soubor služeb, poskytující vyšší standard bezpečnosti uživatelům. Jednou z nich je tzv. bezpečná domácnost, která spočívá v on-line spojení domovního zabezpečovacího systému s bezpečnostní agenturou či policií. V případě narušení bezpečnosti při neoprávněném vniknutí systém automaticky uvědomí příslušnou organizaci. Případně umožní pracovníkům těchto organizací pomocí kamerového systému vizuální kontakt s pachatelem, a tím jeho snazší identifikaci.

Hlasové služby

Hlasové služby tvoří další segment služeb „trojité hry“ a jsou jedny ze základních telekomunikačních služeb, zprostředkovávající mezilidskou komunikaci. Dnes asi nejrozšířenějším prostředkem, umožňujícím využití těchto služeb, jsou veřejné telefonní sítě PSTN (Public Switching Telephony Network), které jsou založeny na principu přepínání okruhů. Jelikož princip přepínání okruhů neumožňuje dostatečné využití přenosové kapacity sítí, byla pozornost upřena na hospodárnější řešení přenosu hlasu založeného na principu přepínání paketů, kdy jedno spojení umožní komunikaci mnoha dvojic telefonních účastníků. Řešením, umožňujícím využití paketově komutovaných datových sítí, je služba VoIP (Voice over Internet Protocol).

VoIP

Jedná se o službu, která v dnešní době postupně začíná nahrazovat klasické analogové linky. IP telefonie představuje telefonní aplikaci, která již k přenosu hlasu mezi volajícími nepoužívá síť s komutací okruhů, nýbrž paketově komutovaných datových sítí. Historie VoIP sahá do roku 1995, kdy firma Vocaltek vytvořila první počítačovou aplikaci, umožňující hovor prostřednictvím IP sítě.

Aby mohl být hlas přenášen sítí s komutací paketů (ATM, Internet apod.), musí být nejprve digitalizován. K digitalizaci je používána některá z metod pulzního kódování PCM (Pulse Code Modulation). Při použití PCM (specifikace G.711) je standardní analogový signál o šířce pásma 4 kHz vzorkován frekvencí fvz = 8 000 Hz a kódován osmi bity. Potřebná šířka pásma pro přenos tohoto digitálního signálu je 64 kbit/s. Častěji je dnes pro přenos hlasu formou VoIP používána adaptivní diferenciální PCM (ADPCM, Adaptive Differential Pulse Code Modulation), která používá čtyřbitového kódování, přičemž bit nereprezentuje hodnotu, nýbrž změnu oproti předchozí hodnotě. Takto vzniklý digitální signál vyžaduje přenosovou šířku pásma 32 kbit/s. Dodatečnou implementací komprimačních algoritmů, využívajících model lidského sluchu, můžeme snížit potřebnou šířku přenosového pásma až na 6,3 kbit/s, 5,3 kbit/s (G.723.1) či 8 kbit/s (G.729).

Aby služba VoIP byla schopna konkurovat běžným telefonním linkám, je nutné, aby provozovatelé v sítích implementovali mechanizmy QoS, zajišťující potřebnou kvalitu (rezervaci potřebné šířky pásma či garanci doby doručení) přenosu dat v reálném čase. Kvalita služeb VoIP je ovlivňována těmito třemi faktory:

zpoždění (Delay);
proměnlivost časové prodlevy (Jitter);
ztráta paketů (Packet Loss).

Hodnota zpoždění veřejné telefonní sítě se pohybuje v rozmezí 50 až 90 ms. V IP sítích může dosahovat hodnoty až 200 ms, což je v podstatě maximální hodnota pro zajištění kvality hovoru (zpoždění do 200 ms není pro lidské ucho rozpoznatelné). Tato časová prodleva však není způsobena jen průchodem sítí, ale již samotnou digitalizací a komprimací. Například u specifikace G.711 vzniká zpoždění 0,75 ms, u specifikace G.729 je to již 25 ms. Aby nedocházelo k deformaci hlasu, musí být navíc zpoždění stabilní. Přípustné kolísání stability (jitter) je stanoveno na 20 ms. Posledním z faktorů, ovlivňujících kvalitu přenosu hlasu, je ztráta paketů, které se v IP sítích bohužel nevyhneme. Pro zajištění požadované kvality hlasu by neměla ztrátovost paketů přesáhnout 2 %.

Video služby

Video služby jsou posledním a nejdiskutovanějším segmentem služeb poskytovaných v rámci „trojité hry“, neboť kladou největší požadavky na přenosovou šířku pásma, ale zároveň jejich distribuce představuje většinu příjmů pro telekomunikační operátory. To je příčina hledání nových přenosových technologií a řešení distribučních infrastruktur přístupových sítí. Video služby jsou v pasivních optických sítích k uživatelům distribuovány dvěma způsoby, a to prostřednictvím tzv. překryvné PON (video overlay Passive Optical Network) nebo prostřednictvím IPTV (TV over Internet Protocol).

Překryvné PON sítě (obr. 67) používají pro přenos RF video signálu vlnovou délku 1 550 nm. Video signál může být k uživateli distribuován společně s datovým tokem za použití vlnového dělení WDM, či po samostatném optickém vlákně. Přenášený video signál může být jak analogový, tak digitální. Jedná-li se o digitální signál, je nutné na straně uživatele použít set top box (STB), který tento digitální signál převede zpět na analogový. Druhou variantou distribuce video služeb v PON sítích je tzv. přepínané video neboli IPTV. Video signál je na straně síťového zakončení nejprve digitalizován a následně komprimován. Binární data jsou vkládána do IP datagramů. Takto komprimovaný signál je přenášen k ONT společně s datovým tokem (data a hlas), využívajícím vlnové délky 1 490 nm prostřednictvím ATM buněk či Ethernetových rámců. Do přenosové cesty mezi televizorem a jednotkou ONT je vložen set top box s IP rozhraním. Propojení tohoto IP set top boxu s ONT je realizováno strukturovanou kabeláží CAT-5. Propojení televizoru se set top boxem je již realizováno koaxiálním kabelem.

Obr. 77: Schéma zpracování služeb Triple Play pro systémy FTTH

Spojka s rozbočovačem pro FTTx

Překryvná PON

Jak již bylo zmíněno, překryvná PON využívá pro distribuci RF video signálu k uživateli vlnové délky 1 550 nm. Tato vlnová délka byla organizací ITU zvolena proto, že je možné pro tuto vlnovou délku použít EDFA (Erbium Dopped Fibre Amplifier) zesilovačů. Pro zajištění potřebné kvality přenášeného analogového signálu je nutné zajistit co největší odstup signálu od šumu CNR (Carrier to Noise Ratio). Minimální hodnota CNR byla stanovena organizací FCC (Federal Communications Commisson) na 44 dB. Při této hodnotě je zaručena eliminace tzv. „sněžení“ v obraze. Ovšem hodnota používaná v systémech FTTH by měla být vyšší než 47 dB, zpravidla se používá 48 dB. Dnešní ONT jsou schopny zajistit hodnotu parametru CNR 48 dB při přijímané úrovni signálu −5 až −6 dBm. Pro splnění požadavku na dodržení hodnoty odstupu signálu od šumu 48 dB je nutno použít zdroje velkých optických výkonů (lasery, EDFA) a snížit útlum přenosové optické cesty na co nejnižší hodnotu. Při těchto hodnotách optických výkonů se v optickém vlákně projeví tzv. Brillouinův rozptyl (BS, Brillouin Scattering), kdy se část odraženého světelného paprsku vrací zpět do zdroje a způsobuje tak rušení vysílaného signálu. Tento rozptyl je způsoben v důsledku interakce světelného záření (fotonů) s virtuální mřížkou, která je představována částicemi, jež tvoří akustické vlny (fonony). Tyto akustické vlny jsou vytvářeny laserovými zdroji či EDFA zesilovači při velkých optických výkonech. Brillouinův rozptyl je závislý jak na výkonu optického vysílače, tak i na délce přenosové trasy, jakou je optický signál přenášen.

Dnes je analogový video signál, pokud je stále využíván, nejprve digitalizován a následně distribuován v digitální formě. Výhodu překryvné PON sítě představuje absence set top boxů v případě analogového signálu či použití jednoduchých set top boxů v případě digitalizovaného signálu, a možnost využití stávajících domovních koaxiálních rozvodů. Nevýhodou tohoto řešení distribuce video signálu je složitější provedení zpětné uživatelské interakce. I přes toto úskalí a nutnost použití výkonných optických vysílačů společně s EDFA zesilovači se toto řešení jeví jako ekonomicky schůdnější ve srovnání s IPTV.

IPTV

PTV neboli „přepínané video“ využívá pro distribuci video signálu vlnovou délku 1 490 nm. Video signál je tak přenášen společně s datovým tokem (data a hlas). Využitelná šířka přenosového pásma při využití digitálního signálu je několikanásobně vyšší než pro signál analogový. Digitální video signál je zároveň méně náchylnější k rušení a poskytuje mnohem kvalitnější obraz. Díky této vlastnosti mohou jednotky ONT na straně uživatele zajistit požadovanou hodnotu odstupu signálu od šumu CNR i při přijímané úrovni signálu −20 až −30 dBm. Citlivost na takto nízkou hodnotu přijímaného signálu dovoluje využití zdrojů nízkých optických výkonů, jejichž hodnota výkonu se blíží k hodnotě 0 dBm. Akceptovatelná hodnota odstupu signálu od šumu se pro přenos digitálního video signálu pohybuje okolo 15,5 dB při chybovosti lepší než 10⁻⁹. Dalším faktorem, ovlivňujícím kvalitu přenosu digitálního video signálu, je tedy chybovost BER (Bit Error Rate). Pro zmenšení chybovosti přenosového kanálu, na co nejmenší přípustnou míru, jsou využívány tzv. samoopravné metody, jako např. FEC (Forward Error Correction, J.83B).

Digitální video signál poskytuje mnohem kvalitnější obraz než RF video signál. Tato kvalita obrazu je však spjata s velkými datovými toky, především pak pro HDTV. Snížení datového toku a přizpůsobení se tak přenosové šířce pásma zajišťují kompresní metody, které jsou implementovány taktéž na straně ústředny. Nejpoužívanějšími kompresními metodami jsou MPEG-x (Motion Picture Experts Group) či WM9 (Windows Media 9). Z rodiny MPEG jsou to MPEG-2 a MPEG-4, respektive jeho rozšíření G.264 označované jako MPEG-4/AVC (Advanced Video Codec). Dnes nejrozšířenější komprimační metodou je MPEG-2, která je poměrně levná a účinná. Ta je však postupně nahrazována metodami MPEG-4/AVC a WM9, jejichž cena je znatelně vyšší, ovšem jsou až o 50 % účinnější oproti metodě MPEG-2.

Tabulka 8: Přehled datových toků jednotlivých digitálních TV při použit různých komprimačních metod

Mezi výhody „přepínaného videa“ patří již zmiňované využití zdrojů nízkých optických výkonů, distribuce kvalitnější obrazové složky a v neposlední řadě propracovanější zavedení uživatelské interaktivity. Tyto výhody jsou ale vykoupeny vyššími pořizovacími náklady, které jsou spojeny se zařízením, provádějícím kompresi digitalizovaného signálu a složitějšími a dražšími set top boxy, které již neumožňují využít stávajících domovních koaxiálních rozvodů, neboť k propojení s jednotkou ONT využívají strukturované kabeláže CAT-5.

Digitální video služby

Do skupiny digitálních video služeb nepatří jen TV vysílání, ale také video na vyžádání VoD, on-line hry nebo sázení. Aby bylo možno využívat těchto služeb, je nutno zavést interaktivitu, čili možnost komunikace uživatele s video systémem. Ta je zajištěna set top boxy, jejichž prostřednictvím jednotka ONT vysílá požadavky uživatele společně s datovým tokem (data a hlas) po vlnové délce 1 310 nm do ústředny, kde jsou zpracovány video serverem.

Interakce uživatele je využito nejen v souvislosti s televizním vysíláním pro službu EPG (Electronic Program Guide), která představuje jakýsi elektronický průvodce programem, jenž nabízí uživateli jednoduché rozhraní s TV systémem, ale také ke službě PVR. Dalšími aplikacemi, využívající interakce s uživatelem, jsou online sázení či hlasování, které umožňují uživateli sázet na různá sportovní utkání či hlasování v hitparádách s ohledem na aktuální stav apod.

Služba odloženého vysílání PVR (Personal Video Recording) spočívá v tom, že si uživatel pomocí EPG vybere z nabídky televizního programu pořad či film vysílaný v blízké budoucnosti, který chce shlédnout mimo vyhrazený vysílací čas, ten pak bude video serverem nahrán a uložen pro pozdější shlédnutí.

Video na vyžádání VoD (Video on Demand) někdy též označované jako „on-line videopůjčovna“ umožňuje uživateli s využitím služby EPG zvolit film, který by chtěl shlédnout. Může si také rovněž zvolit čas, kdy jej chce shlédnout. Disponuje-li uživatel kvalitním set top boxem, může využít i služby interaktivního videa na vyžádání iVoD, které umožňuje využívat funkce běžné na videorekordérech či DVD (pauza, posun vpřed i vzad, zpomalení apod.).

Výhledy do budoucna

V dnešním světě digitálních technologií, kdy většina mezilidské komunikace probíhá prostřednictvím Internetu, je trendem telekomunikačních operátorů poskytnout uživatelům co nejkomplexnější soubor služeb, prostřednictvím jediného připojení. Aby tyto služby mohly být distribuovány, musí být nejprve ze strany telekomunikačních operátorů vyřešena problematika přístupových sítí, které mnohdy představují nejužší místo přenosové infrastruktury. Jelikož nejvhodnější prostředek pro realizaci vysokorychlostního připojení představuje optické vlákno, je problematice zavedení optických vláken do distribuční infrastruktury přístupových sítí věnována velká pozornost. Výsledkem této pozornosti je realizace pasivních odbočnic, umožňujících sdílení optického přenosového média bez využití aktivních síťových prvků. Tento krok nejenže významným způsobem snížil cenu optické distribuční infrastruktury, ale také umožnil proniknutí „optiky“ do segmentu přístupových sítí formou pasivních optických sítí PON. Díky těmto přístupovým PON sítím je možné zavést optické vlákno až do domu uživatelů prostřednictvím FTTH PON sítí.

Problematika efektivního rozložení „potenciálu“ pasivních optických sítí v přístupovém segmentu je předmětem řešení případové studie, která vyhodnocuje všechny potřebné aspekty, jež mají vliv na vypracování návrhu realizace distribuční infrastruktury přístupových sítí. Mezi tyto aspekty patří především geografický faktor a penetrace obyvatel dané lokality, volba přenosového mechanizmu či volba vhodné síťové topologie. Cílem případové studie je tak navržení distribuční infrastruktury pasivní optické sítě, která mimo splnění všech požadavků na ni kladených bude představovat řešení s co nejpříznivějším poměrem výkonu k ceně.

Aby byly po realizaci PON sítě vyloučeny případné nedostatky, které by mohly zapříčinit zpoždění dat při doručení či dokonce jejich ztrátu, jsou prováděna komplexní měření formou konfiguračních a akceptačních testů. Konfigurační testy měří fyzickou vrstvu optické infrastruktury v průběhu celé realizace a po jejím dokončení. Naproti tomu akceptační testy prověřují správnost funkce linkové a síťové vrstvy po aktivaci infrastruktury. Z výsledků akceptačních měření je následně stanoven stupeň garance kvality služeb, poskytovaných prostřednictvím této pasivní optické infrastruktury.

Poměr výkon–cena i perspektivní možnost zvyšování přenosových kapacit bez větších investic, stejně jako zavádění nových širokopásmových služeb mluví jednoznačně ve prospěch pasivních optických sítí.

Důvody pro projektování a montáž FTTx

Očekávaný vývoj trhu telekomunikačních služeb jednoznačně směřuje ke službám triple play. Lze očekávat, že fixní přípojky, využívané pouze pro hlasovou službu, budou v blízké budoucnosti naprostou výjimkou a zcela převažovat bude nabídka komplexních služeb (Hlas, Data, TV, Video).

V současné době celosvětově převažuje poskytování služeb triple play zákazníkovi po metalické přístupové síti za využití technologií xDSL. Jejich nevýhodou je především omezená přenosová kapacita a nesymetrický provoz.

Obr. 78: Možnosti technologií xDSL a FTTx

Již dnes je zcela reálný předpoklad, že v budoucnu na jedné jediné přípojce poběží kanály živého vysílání ve vysokém rozlišení (HDTV, High Definition TeleVision) vedle souběžně probíhající práce na internetu, hraní her či stahování dat. Jednou z hlavních odpovědí telekomuníkačních operátorů na rostoucí požadavky uživatelů z hlediska multimediálních aplikací náročných na šířku přenášeného pásma se postupem času stanou optické přístupové sítě.

Současné optické přípojky v přístupové síti nabízejí symetrický datový tok s hodnotou kolem 50 Mbit/s a do budoucna bude v případě potřeby možné navyšovat rychlosti na úroveň dnes obvyklé v transportní optické síti, tedy na 1 či 10 Gbit/s.

Naproti tomu možnosti xDSL technologií jsou silně limitovány vlastnostmi existujících metalických přístupových vedení a jen na velmi krátké vzdálenosti lze reálně uvažovat o rychlostech okolo 20 Mbit/s. Dalším problémem při nasazování systému DSL je rušení přeslechem mezi jednotlivými páry v místním metalickém kabelu, které snižuje jejich dosažitelnou rychlost a dosah.

Z pohledu telekomunikačního operátora má samozřejmě technologie xDSL jednu podstatnou výhodu, využívá stávající vedení, a je proto investičně méně náročná než FTTx. Rozdíl v investiční náročnosti ovšem s rostoucími požadavky na rychlost výrazně klesá s tím, jak klesá dosah účastnické smyčky a je nutné vysouvat xDSL technologii blíže k zákazníkovi.

Jak vyplývá z výše uvedeného, je v porovnání s metalickým přístupem optická přípojka FTTx z pohledu vysokorychlostního Internetu, sledování HDTV televizních kanálů a dalších širokopásmových služeb, při zajištění vysoké kvality, lepším řešením pro budoucnost.

Přenosové možnosti optické přípojky přitom nejsou dnešními službami zdaleka vyčerpány a poskytují rozvojovou rezervu prakticky pro jakékoli budoucí požadavky.