7. SIECI LOKALNE

Sieć lokalna (ang. Local Area Network - LAN) ogólnie definiowana jest jako końcowy fragment sieci łączący centralę z użytkownikami. Jest on ograniczony do obszaru kilku km, grupy budynków lub w szczególności jednego budynku. Inna definicja sieci lokalnej oparta na szybkości oraz zakresie operacji mówi, że szybkość transmisji typowych sieci LAN mieści się w zakresie od 100kbit/s do 100 Mbit/s na dystansie od 500m do 10km. Zatem LAN jest siecią pośrednią między siecią wieloprocesorową (zwykle szyną danych) o krótkim zasięgu i rozległą siecią, która charakteryzuje się małą szybkością transmisji danych (do 100kbit/s) na bardzo dużych odległościach, wykorzystującą konwencjonalne technologie komunikacji. Może łączyć terminale z komputerem głównym lub zapewniać komunikację między różnorakimi procesorami i terminalami oraz innymi stacjami roboczymi. Wewnątrz instytucji przemysłowych stanowi połączenie między komputerem głównym i oddalonymi procesorami kontrolerów nadzorujących procesy technologiczne tworząc sieć lokalną wspomagającą produkcję CAM (ang. Computer Aided Manufacture).

W każdej sieci przesyłania informacji rozróżnia się pojęcie konfiguracji, czyli geometrii oraz struktury sieci. W pojęciu geometrii sieci jest zawarta: liczba węzłów sieci i ich usytuowanie, informacje o granicach obszarów obsługiwanych przez poszczególne węzły oraz przebieg linii łączących poszczególne węzły. Natomiast strukturę sieci określa: stopień decentralizacji sieci, przyporządkowanie poszczególnych użytkowników kolejnym podsieciom i struktura połączeń w podsieci.

Rys. 7.1. Konfiguracje sieci lokalnych: a) pętlowa (pierścieniowa), b) szynowa (magistralowa), c) gwiazdowa, d) drzewiasta.

W lokalnych sieciach teleprzetwarzania w zasadzie wyróżnia się cztery struktury: gwiazdową, magistralową, drzewiastą i pierścieniową. Strukturę magistralową traktuje się często jako specjalny przypadek struktury drzewiastej o jednym łączu bez odgałęzień. Poszczególne struktury lokalnych sieci światłowodowych zostały przedstawione na rys.7.1.

W sieci pętlowej każda informacja wprowadzana przez abonenta przechodzi przez wszystkie węzły sieci i dlatego wymagana jest duża liczba kanałów transmisyjnych. Uzyskuje się je poprzez zastosowania zwielokrotnienia z podziałem czasowym lub częstotliwościowym. W węźle danego użytkownika pobierana jest wyłącznie informacja do niego adresowana . W sieci szynowej, zawierającej kilka rozgałęzień także musi istnieć wiele kanałów transmisyjnych. Liczba abonentów ograniczona jest pojemnością transmisyjną toru. Przewagę nad siecią pętlową zapewnia jej większa elastyczność topologii. Sieć gwiazdowa zapewnia separację połączeń wszystkich abonentów. Liczba kabli niezbędnych do budowy sieci wzrasta lecz poprawia się niezawodność pracy.

Sieć o strukturze drzewiastej daje się łatwo konserwować i łatwo można lokalizować w niej uszkodzenia. Centrum sieci spełnia wiele funkcji. Podstawową jest przechowywanie zbiorów danych i komutacja informacji między stacjami końcowymi. Do cech ujemnych należy zaliczyć obniżenie niezawodności sieci oraz znaczną komplikację budowy węzła centralnego ze względu na konieczność realizacji wyboru drogi. Funkcja ta nie istnieje przy stosowaniu struktury pierścieniowej i magistralowej. Ujemną cechę struktury pierścieniowej stanowi konieczność monitorowania stanu pierścienia w celu usuwania krążących w nim wiadomości, które w przypadku uszkodzenia struktury adresu nie mogą być odebrane przez żaden węzeł. Poważną korzyścią systemu o strukturze pierścieniowej jest to, że pozwala ona skutecznie rozwiązać problem wielodostępności, to znaczy gdy liczni nadawcy informacji dzielą wspólne zasoby informacyjne. To rozwiązanie może być oparte na procedurach rozproszonego sterowania, które nie zależy od wyróżnionego terminala.

1. Rozdział sygnałów informacji

Podstawowym elementem służącym do rozdziału sygnałów informacji w sieci transmisyjnej jest sprzęgacz kierunkowy. Na rys.7.2 przedstawiono sprzęgacz kierunkowy o czterech wrotach. Kierunki przepływu mocy optycznej pokazane są na rysunku strzałkami. Do opisu działania sprzęgacza załóżmy, że moc wchodzi do wrót oznaczonych
. Następnie moc ta rozdzielana jest pomiędzy wrota 2 i 3, zgodnie ze strzałkami. W sprzęgaczu idealnym moc nie przechodzi do wrót 4. W szczególnym przypadku sprzęgacza 3dB i przy braku strat możemy przyjąć, że moc wychodząca z wrót 2 jest identyczna jak moc wychodząca z wrót 3.

Rys. 7.2. Sprzęgacz kierunkowy z czterema wejściami symbol oraz sposób wykonania.

Dla rzeczywistego sprzęgacza definiujemy następujące charakterystyczne straty:

Straty przejścia (transmisyjne):

(7.1)

charakteryzujące przejście pomiędzy wrotami 1 i 2.

Straty sprzężenia:

(7.2)

określające straty transmisji pomiędzy wrotami 1 i 3.

Straty izolacji (separacji):

(7.3)

określające różnicę poziomów mocy we wrotach 1 i 4.

Straty wtrąceniowe:

(7.4)

charakteryzujące ogólne straty sprzęgacza, których źródłami są: wypromieniowanie i rozpraszanie energii światła, jej absorpcja i przenikanie do wejścia izolowanego.

W sprzęgaczu idealnym nie ma strat przejścia (A_pr=0) a ponadto moc nie przechodzi do wrót 4 wówczas całkowita moc we wrotach 2 i 3 jest równa mocy wejściowej: . Sprzęgacze dobrej jakości mają straty wtrąceniowe mniejsze niż 1dB, a izolację większą niż 40dB. Sprzęgacze kierunkowe są zazwyczaj konstruowane jako symetryczne w taki sposób, że charakteryzujące je straty są niezależnie od wyboru wejścia.

1. Sieć dupleksowa

W wielu rozwiązaniach technicznych łączy dwukierunkowych do przesyłania sygnałów są stosowane dwa tory światłowodowe. Każdy z torów służy jednokierunkowemu przesyłaniu sygnału. W systemie dupleksowym sygnały niosące informacje w kierunkach przeciwnych, rozchodzą się jednocześnie w tym samym torze światłowodowym. Daje to oszczędność toru, co jest zwłaszcza uzasadnione dla dużych odległości. Na rys.7.3 przedstawiono schemat łączności dupleksowej z użyciem na początku i końcu toru sprzęgaczy kierunkowych. W takim zastosowaniu idealny 3-decybelowy sprzęgacz wprowadza straty 6dB między nadajnikiem a odbiornikiem. Do nich dochodzą dodatkowo straty wtrąceniowe, straty w łączach i straty samego toru.

Rys. 7.3. System transmisji dwukierunkowej w jednym światłowodzie.

1. Sieć rozgałęźna

Sieć o takiej konfiguracji, przedstawiona na rys.7.4a łączy wiele urządzeń końcowych. Każde z nich zawiera nadajnik i odbiornik sygnału optycznego. Tor światłowodowy jest w tym przypadku magistralą przenoszącą informacje między węzłami, w których są zainstalowane węzłowe sprzęgacze kierunkowe o strukturze przedstawionej na rys.7.4b. Każdy z takich sprzęgaczy węzłowych składa się z dwóch sprzęgaczy kierunkowych, co umożliwia dwukierunkowe przenoszenie sygnałów z linii magistralowej do odbiornika i z nadajnika do linii magistralowej.

Rys. 7.4. a) Sieć rozgałęźna transmisyjna z n-terminalami. b) Sprzęgacz rozgałęźny zbudowany z dwóch sprzęgaczy kierunkowych.

Sieć z wieloma urządzeniami końcowymi o przedstawionej na rys.7.4 konfiguracji wymaga użycia sprzęgaczy kierunkowych węzłowych o dużym stosunku podziału (moc przejścia do mocy sprzężenia). Tylko w takim przypadku będzie zapewniony poziom sygnału optycznego, docierającego do odbiornika najbardziej odległego od nadajnika, odpowiedni do przeprowadzenia detekcji.

Straty pomiędzy urządzeniem końcowym pierwszym oraz n-tym wynoszą:

(7.5)

gdzie: - straty przejścia, - straty sprzężenia.

W rzeczywistym przypadku musimy dodatkowo uwzględnić straty w łączach niezbędnych do praktycznej budowy sieci transmisyjnej. W każdym sprzęgaczu na jego wejściu i wyjściu jest wymagane złącze, których ogólna liczba do zapewnienia połączenia urządzenia końcowego pierwszego z n-tym wynosi 2n. Zakładając straty na złączu , otrzymujemy całkowite straty:

(7.6)

Urządzenia końcowe pracujące w sieci rozgałęźnej otrzymują od urządzeń sąsiednich dużo większy poziom sygnału niż od leżących w dalszej odległości. Każdy odbiornik musi być zatem przystosowany do prawidłowego odbioru sygnałów różniących się znacznie amplitudami.

Lokalne uszkodzenie sieci nie powoduje całkowitego braku transmisji. Przerwanie sieci magistralowej dzieli ją na dwie części pracujące prawidłowo w swoim obrębie. Uszkodzenie jednego ze sprzęgaczy węzłowych dzieli system transmisyjny i eliminuje bezpośrednio sprzężone urządzenia końcowe. Uszkodzenie jednego z tych urządzeń zachowuje pozostałą część sieci w stanie sprawnym. Dodatkowe urządzenia końcowe mogą być w prosty sposób dołączone do sieci poprzez przecięcie magistrali i zamontowanie sprzęgacza kierunkowego.

Rys. 7.5. Schemat zamkniętej (pętlowej) sieci transmisyjnej o jednym kierunku przepływu informacji.

Liniowa struktura sieci, pokazana na rys.7.4a może być zmodyfikowana poprzez zastosowanie konfiguracji zamkniętej pętli, przedstawionej na rys.7.5. Taka struktura zapewnia minimalną długość kabla potrzebną do połączenia urządzeń końcowych w sieciach lokalnych. W przypadku jednokierunkowego przepływu informacji każdy ze sprzęgaczy węzłowych (będący trójnikiem) może być zrealizowany za pomocą pojedynczego sprzęgacza czterowejściowego. Dla dwukierunkowego przesyłania informacji należy zastosować układ sprzęgaczy z rys.7.4b. Umieszczenie regeneratora w sprzęgaczu przekształca sieć transmisyjną w sieć aktywną typu pierścieniowego. W takim systemie każdy z terminali ma dostęp do informacji krążącej w zamkniętej pętli.

1. Sieć gwiazdowa

Sieć o konfiguracji gwiazdowej, przedstawiona na rys.7.6 stanowi alternatywę dla omówionej sieci rozgałęźnej.

Rys. 7.6. a) Schemat sieci gwiazdowej b) transmisyjny sprzęgacz gwiazdowy.

W tym układzie aktywny sprzęgacz gwiazdowy łączy n urządzeń końcowych. Sprzęgacz o 2n wejściach rozdziela moc o poziomie identycznym dla każdego odbiornika, przychodzącą z dowolnego wejścia od 1 do n. Sprzęgacz idealny dzieli tę moc na n części bez wprowadzania strat. Sprawność każdego z n wejść jest określona zależnością:

(7.7)

odpowiadającą stratom w decybelach.

Jeżeli uwzględnimy straty w złączach i straty wtrąceniowe rzeczywistego sprzęgacza gwiazdowego , to otrzymamy całkowite straty związane z gwiazdowym sprzęgaczem jako:

(7.8)

Można przyjąć, że struktura gwiazdowa sieci transmisyjnej jest bardziej efektywna w przypadku połączenia większej liczby urządzeń końcowych. Wynika to z wolniejszego wzrostu strat, wyznaczonego funkcją logarytmiczną tej liczby, gdy dla sieci rozgałęźnej ten wzrost jest szybszy, liniowy w funkcji liczby urządzeń końcowych. W tej ostatniej konfiguracji dla każdego dołączonego urządzenia sygnał musi przechodzić przez dwa dodatkowe złącza. Dla systemu rozgałęźnego z dużą liczbą urządzeń końcowych straty w węzłach można zmniejszyć przez zastąpienie złączy rozłączalnych złączami spawanymi. Jednak dla liczby urządzeń (np. >10) straty wynikające z rozgałęzień są tak duże, że praktycznie staje się niemożliwa realizacja takiej sieci.

Dla zwiększenia efektywności, sprzęgacz gwiazdowy dla n urządzeń powinien mieć 2n wejść. Sprzęgacz z większą niż 2n liczbą wejść wprowadza większy niż jest to niezbędne poziom strat wynikających z rozdziału energii. Dołączenie nowego urządzenia do już pracujących wymaga zainstalowania nowego sprzęgacza z większą liczbą wejść. Straty wtrąceniowe nowego sprzęgacza pozostają w zasadzie na tym samym poziomie i nie wzrastają liniowo w funkcji liczby wejść. W praktycznych rozwiązaniach te straty dla 16 wejść (n = 8) wynoszą około 1dB i wzrastają do około 3dB dla 128 wejść (n = 64).

1. Hybrydowa struktura sieci

Jednoczesne użycie struktury gwiazdowej i rozgałęźnej znacznie uelastycznia działanie systemu transmisyjnego z wieloma urządzeniami końcowymi. W takiej sieci struktura gwiazdowa służy do połączenia urządzeń bliskich a struktura rozgałęźna odległych. Wykonuje się też bezpośrednie połączenia między strukturą gwiazdy i rozgałęźną. Można stosować, jak to przedstawiono na rys. 7.7, wzmacniacze-regeneratory włączone pomiędzy odległymi węzłami, w których zastosowano sprzęgacze gwiazdowe.

Rys. 7.7. Struktura dwóch sieci gwiazdowych połączonych ze sobą.

1. Transmisja wielotorowa

System połączeń między n urządzeniami końcowymi może być realizowany za pomocą bezpośredniego połączenia każdego z nadajników z pozostałymi odbiornikami, jak przedstawiono to na rys.7.8. Z każdego nadajnika musi więc wychodzić n-1 włókien, bezpośrednio dołączonych do źródła promieniowania. Dla zapewnienia dużej sprawności sprzężenia energetycznego źródła z włóknami, jego powierzchnia czynna musi być równa sumarycznej powierzchni czół dołączonych światłowodów, z których każdy dochodzi do diody detekcyjnej we właściwym sobie odbiorniku. Ponieważ do diody detekcyjnej doprowadzonych jest n-1 światłowodów, jej powierzchnia czynna powinna być dostatecznie duża. Powyższa struktura nie jest optymalna ze względu na dużą liczbę stosowanych włókien. Ma jednak pewne zalety, może być stosowane źródło promieniowania światła o dużej powierzchni emisyjnej. W takim przypadku moc wprowadzana do pojedynczego włókna jest zazwyczaj większa niż moc wprowadzana ze źródła o małej powierzchni. Przy braku sprzęgaczy, jakie musiały być stosowane w innych konfiguracjach, efektywna wartość mocy wprowadzanej do pojedynczego włókna jest stosunkowo duża.

Struktura wielotorowa sieci jest bardziej ekonomiczna niż ewentualne połączenia dwustronne między wszystkimi urządzeniami końcowymi. Wymaga ona instalowania n-1 nadajników i odbiorników w każdym urządzeniu, a więc w całej strukturze jest n(n-1) nadajników i tyleż odbiorników. Na przykład sieć z czterema urządzeniami końcowymi wymaga instalowania 12 nadajników i odbiorników, podczas gdy sieć wielotorowa tylko czterech.

Rys. 7.8. Struktura sieci wielotorowej
R - odbiornik, T - nadajnik.

Sterowanie transmisją w sieci

W sieci lokalnej ważnym zagadnieniem jest problem sterowania nią, czyli określenia, który węzeł może w danej chwili nadawać informację. W sieciach o strukturze gwiazdowej lub drzewiastej zadanie sterowania siecią wykonuje węzeł centralny. Jeżeli posiada on dostateczną pojemność, to wymiana informacji z węzłami pracującymi w sieci może odbywać się jednocześnie. W przeciwnym przypadku zasada sterowania siecią polega na przepytywaniu węzłów. Określa się w ten sposób węzeł zdolny do nadawania. Jest to typowy przykład sterowania scentralizowanego.

W sieci o strukturze magistralowej najczęściej stosuje się zdecentralizowaną strukturę sterowania. Związana jest ona przede wszystkim ze zjawiskiem kolizji, polegającym na tym, że jeden przesyłany pakiet nakłada się na inny. Takie sterowanie określa się mianem sterowania rywalizującego. W sieciach z rywalizacją każdy węzeł może nadawać w dowolnej chwili, więc w przypadku wysyłania informacji przez różnych użytkowników w niewielkich odstępach może nastąpić ich utrata. Przypadek taki pokazano na rys.7.9.

Rys. 7.9. Sekwencje pakietów wysyłanych do sieci przez dwóch użytkowników
Kcz - kolizja częściowa, Kca - kolizja całkowita.

W sieciach lokalnych o strukturze magistralowej, w których stosuje się komutację pakietów przez wspólny szerokopasmowy kanał transmisyjny, zakłada się, że opóźnienie propagacji (tj. czas, po którym wszystkie stacje mogą wykryć koniec transmisji pakietu) jest bardzo małe w porównaniu z czasem transmisji pakietu. Dlatego możliwa jest sytuacja, w której stacja może śledzić stan kanału, tj. badać czy odbywa się w nim transmisja czy też nie. Transmisja nie powinna powodować dużych opóźnień w czasie między wysłaniem pakietu a jego odebraniem. W przypadku stwierdzenia przez stację zajętości kanału następuje wstrzymanie zamierzonej transmisji. Taka koncepcja wielodostępu do kanału o wolnym wyborze nosi nazwę CSMA (Carrier Sense Multiple Access). Istnieje wiele odmian tej metody w zależności od tego, jakie działanie podejmie stacja po wykryciu zajętości kanału. Ponadto istnieje jeszcze metoda wielodostępu do kanału o wolnym wyborze z detekcją kolizji CSMA-CD i jej odmiany. Koncepcja tej metody oparta jest na fakcie, że stacje mogą podczas transmisji badać stan kanału i po stwierdzeniu kolizji przerwać transmisję. Taka koncepcja pozwala znacznie zwiększyć zdolność przepustową kanału, a także zminimalizować opóźnienie związane z kolizją. W tym przypadku eliminuje się bowiem czas tracony na dalszą część transmisji oraz czas czekania na potwierdzenie prawidłowego odbioru.

Możliwe są dwie, zwykle uzupełniające się, metody wykorzystania pojemności informacyjnej systemu transmisyjnego:

• zwielokrotnienie z podziałem czasowym TDM - sieci w paśmie podstawowym,

• zwielokrotnienie częstotliwościowe FDM - w sieciach szerokopasmowych.

W sieciach lokalnych ze zwielokrotnieniem czasowym oprócz wymienionej metody rywalizacji stosuje się jeszcze dwie procedury wymiany danych: szczelin czasowych, w których możliwy jest dostęp do sieci oraz procedura przesyłania znaczników, pozwalających zająć łącze w celu nadania danych. Metoda CSMA-CD znajduje zastosowanie w sieciach, w których przesyłane są długie wiadomości (biura, banki). W warunkach dużego obciążenia ruchowego użyteczna jest procedura przesyłania znaczników. Dobrze nadaje się do przetwarzania w czasie rzeczywistym (np. w procesach sterowania produkcją, w których przesyłane informacje są na ogół krótkie.

1. Sieci mLAN

W dużych systemach, gdzie pojedyncze medium transmisyjne jest dzielone na N użytkowników do realizacji funkcji przełączania niezbędna jest procedura dostępu poszczególnych odbiorców do transmitowanej informacji. Dla systemów z dużą liczbą użytkowników N protokoły dostępu zwiększają przepustowość toru kosztem utraty pasma optycznego. Protokół dostępu z podziałem czasu TDMA jest najczęściej stosowaną techniką w sieciach μLAN i LAN ze względu na możliwość uzyskania znacznego zwiększenia całkowitej przepustowości, równej odwrotności szerokości impulsu optycznego. W celu zwiększenia przepustowości systemu oraz zmniejszenia opóźnienia dostępu występującego w statystycznych procedurach dostępu stworzono nową klasę protokołów zwanych wspólnym medium (ang. shared-medium). W tym protokole szerokie pasmo włókna dzielone jest na wiele kanałów o mniejszej pojemności, każdy przypisany pojedynczemu użytkownikowi. Schemat blokowy łącza światłowodowego wykorzystującego protokół dostępu „wspólne medium” przedstawiony jest na rys.7.10.

W łączu tym zastosowano topologię pasywnej gwiazdy, gdyż liczba N użytkowników jest większa niż przy innych typach konfiguracji. Sieć zawiera N optycznych nadajników i N odbiorników. Każdy z nadajników wytwarza znak adresu , modulowany przez ciąg danych. Wszystkie znaki adresu są ortogonalne, jak zdefiniowano w wyrażeniu:

(7.9)

Ortogonalny znak adresu może być określony przez: wyraźną optyczną częstotliwość nośną, podnośną o częstotliwości radiowej, ciąg zakodowanych impulsów, przedziały czasowe lub położenie przestrzenne. Znaki adresu są zewnętrznie modulowane w a następnie łączone przez gwiazdę pasywną i przesyłane do każdego odbiornika. W odbiorniku dostrojonym do j-tego nadajnika sygnał odbierany r(t) jest korelowany ze znakiem adresu przez realizację operacji:

(7.10)

Aby uzyskać rozwiązanie tego wyrażenia znak adresu S_j(t) wprowadzony do odbiornika musi być w fazie (koherentny) lub czasowo zsynchronizowany z odpowiadającym mu znakiem części odbieranego sygnału r(t). Sygnał wychodzący z korelatora podlega detekcji i porównaniu z wartością progową w celu odzyskania danych z j-tego nadajnika. Odbiornik musi sprawdzić wszystkie nadajniki w celu identyfikacji rozpoczętej transmisji. Można uniknąć potrzeby przeszukiwania przypisując znak adresu do odbiornika. Komunikacja będzie występowała, gdy dostroimy nadajnik do wymaganego adresu odbiorcy, jednak w przypadku takiego algorytmu niezbędne są dodatkowe procedury zapobiegania kolizji. Protokół „wspólnego medium” może być realizowany poprzez podział częstotliwości FDMA, podział kodu CDMA, oraz podział czasu TDMA.

Rys.7.10. Schemat blokowy sieci z protokołem wspólnego medium transmisyjnego.

W protokole FDMA i WDMA znaki adresu odpowiadają N określonym optycznym częstotliwościom nośnym. Jeśli transmitowane dane posiadają pasmo podstawowe 1/T to gęstość widmowa mocy R(ω) sygnału odbieranego odpowiada ustawionym przedziałom widmowym pasma podstawowego skoncentrowanym wokół częstotliwości . Optyczna korelacja realizowana jest przez mieszanie odbieranego sygnału z sygnałem optycznego oscylatora lokalnego (lasera). System FDMA wymaga N źródeł laserowych z N wyraźnie określonymi i stabilnymi częstotliwościami centralnymi emitujących światło w wąskim paśmie. Podobne warunki powinien spełniać oscylator lokalny. Musi posiadać szeroki zakres oraz dużą szybkość dostrajania częstotliwości. Innym sposobem, który zmniejsza wysokie wymagania dotyczące pasma i stabilności częstotliwości oraz eliminuje użycie koherentnego oscylatora lokalnego jest odseparowanie częstotliwości nośnych () podobnie jak w WDMA oraz użycie synchronizowanego filtru pasmowo przepustowego z bezpośrednią detekcją w odbiorniku. Z tych powodów stosowanie FDMA i WDMA do transmisji danych w systemach z dużą ilością odbiorców jest kłopotliwe.

W protokole CDMA ortogonalne znaki adresu odpowiadają natężeniowo modulowanym sekwencjom kodowym o okresie równym czasowi trwania bitu danych T. Pierwotna sekwencja kodowa składa się z N² impulsów o okresie . Dla tej sekwencji kodowej pasmo wymagane w nadajniku i odbiorniku wynosi (wykorzystanie optycznej generacji sekwencji kodowej oraz techniki korelacji może zredukować szerokość pasma do 1/T). Wymagane całkowita szerokość pasma toru światłowodowego wynosi także . CDMA wymaga zatem ekstremalnie szerokiego pasma kanału transmisyjnego.

TDMA jest szczególnym przypadkiem CDMA, gdzie ortogonalne znaki adresu dane są przez natężeniowo zmodulowane sekwencje kodowe o postaci pojedynczego impulsu o długości t w jednej z N pozycji w przedziale czasowym T (t=T/N). Na przykład adres przypisany i-tego nadajnika może mieć postać jednego impulsu znajdującego się w i-tym przedziale czasowym. Odbiornik koreluje odebraną ramkę TDMA składającą się z czasowo odseparowanych ciągu danych z wszystkich N nadajników ze znakiem adresu pożądanych danych. Adres wprowadzony do odbiornika r(t) musi być czasowo zsynchronizowany z odpowiadającym mu adresem porcji odbieranego sygnału . Szerokość wymaganego pasma wynosi N/T (w przypadku optycznego dekodowania i zastosowania korelacji można ograniczyć do 1/T). Podstawowe pasmo oraz pasmo widmowe wymagane w TDMA są N-krotnie zmniejszone w porównaniu z CDMA, kosztem potrzeby synchronizacji czasowej sieci. Całkowita przepustowość sieci z TDMA wynosi N/T=1/τ (N kanałów o paśmie podstawowym 1/T) i może być zwiększona poprzez zmniejszenie czasu trwania impulsu τ.

1. Architektura samokluczującej sieci z protokołem TDMA

Architektura samokluczującej sieci o wymiarach (N-1)xN, z protokołem TDMA przedstawiona jest na rys. 7.11. W systemie tym ciąg impulsów kluczujących o czasie powtarzania T, okresie τ=T/N, i energii
generowany jest przez modowo kluczowany laser. W celu zwiększenia całkowitej energii impulsów, zamiast jednego lasera może być wykorzystana matryca N synchronicznie kluczowanych laserów. Zastosowanie techniki kompresji impulsów „fiber-grating” pozwala na wytwarzanie impulsów o czasie trwania
1ps i uzyskanie przepustowości wyższej od 1Tb/s. Tor transmisyjny przedstawiony po prawej stronie rysunku 7.11. zaprojektowano w celu realizacji samokluczowania. Zerowy przedział czasowy zarezerwowany jest dla impulsu ramkowego (rys.7.11a). Sygnał wychodzący ze źródła przesyłany jest przez sprzęgacz 1xN do N-1 układów opóźniających
. Wprowadzone opóźnienie optyczne przesuwa optyczny impuls kluczujący do i-tego przedziału czasowego, (uzyskuje się kształt fali przedstawiony na rys.7.11b) odpowiadający i-temu znakowi adresu, który jest następnie wprowadzany do i-tego modulatora optyczno-elektrycznego. Modulator sterowany ciągiem danych o czasie trwania bitu równym T (rys.7.11c) moduluje znak adresu dając w efekcie kształt fali przedstawiony na rys. 7.11d.

Rys. 7.11. Architektura samokluczującej sieci z protokołem TDMA.

Zmodulowane znaki adresów ze wszystkich N-1 nadajników oraz impuls ramkowy łączone są w sprzęgaczu gwiazdowym i przesyłane do wszystkich odbiorników. Ramka TDMA składa się z nałożonych na siebie N-1 zmodulowanych znaków adresów i impulsu ramkowego (rys. 7.11e). Amplituda impulsu ramkowego musi być wyższa od amplitudy zmodulowanych znaków adresów co najmniej o 3dB. W celu zachowania synchronizacji czasowej w sieci, długość drogi optycznej między wyjściem źródła impulsu i odbiornikiem, pomijając celowe opóźnienie znaku adresu, musi być całkowitą wielokrotnością T z błędem mniejszym niż 0.1τ. W odbiorniku ramka TDMA dzielona jest przez sprzęgacz 1x2. Jedno ramię sprzęgacza bezpośrednio niesie ramkę TDMA do korelatora (COR). Aby sprawdzić i-ty przedział czasowy ramki drugie wyjście sprzęgacza opóźniane jest o czas t=i*t tak, by impuls ramki był w fazie z i-tym przedziałem czasowym w ramce TDMA. Dla dostrojenia odbiornika do odpowiedniego przedziału czasowego wymagane jest zmienne optyczne opóźnienie czasowe o dużym zakresie regulacji (0÷T) wysokiej precyzji (<0.1τ) i szybkiej synchronizacji. Wyjście z synchronizowanego opóźnienia tłumione jest o 3dB powodując spadek amplitudy sygnału danych poniżej poziomu szumów odbiornika korelacyjnego, podczas gdy amplituda impulsu ramkowego. Po korelacji sygnałów z bezpośredniego i opóźnionego ramienia sprzęgacza detekcji poddany zostanie więc sygnał z i-tego przedziału czasowego ponieważ tylko tam przewyższa on wartość progową szumów. Odtworzony elektryczny sygnał danych przedstawiony jest na rys.7.11g. Ponieważ czas τ jest mały, optyczna korelacja musi odbywać się z dużą szybkością. Jest to trudne do realizacji w praktyce zwłaszcza gdy mamy do czynienia z impulsami o małej energii. Przy wykorzystaniu fotokonduktywnej bramki AND uzyskano transmisję 5Gbit/s.

1. Bilans mocy

Maksymalny rozmiar sieci TDMA jest ograniczony przez cykl pracy modowo-kluczowanego lasera lub przez bilans mocy optycznej. Modowo-kluczowany laser z kompresją impulsów o czasie trwania impulsów krótszym niż 2ps pozwala uzyskać w ramce TDMA N=5000 przedziałów czasowych o okresie T=10ns. Istotna jest zatem wartość energii dostarczanej z nadajnika do odbiornika, zapewniająca odtworzenie danych ze stopą błędu mniejszą niż 10^-9, wliczając w to straty rozszczepienia i straty dostępu występujące w systemie. W sieci samokluczującej z protokołem TDMA teoretyczna wartość energii uzyskiwanej w detektorze
wynosi:

[J] (7.11)

gdzie
jest energią impulsu wychodzącego ze źródła optycznego, A(dB) są całkowitymi stratami występującymi w systemie:

[dB] (7.12)

Straty A określone tym wyrażeniem odpowiadają przypadkowi, gdy jest zastosowana matryca N synchronizowanych modowo-kluczowanych laserów, β jest głębokością modulacji. Ostatnie wyrażenie reprezentuje straty rozszczepienia w sprzęgaczu gwiazdowym. Jeśli użyty jest jeden laser, konieczne jest zastosowanie sprzęgacz 1xN (rys.7.11) i czynnik N w ostatnim wyrażeniu zastępujemy przez N². Straty 3dB są to straty rozszczepienia na wejściu odbiornika. Straty dostępu w koderze A_cod zależą od liczby poziomów kwantowania i mogą osiągać duże wartości.

Powyższe rozważania ilustruje przykład liczbowy, w którym przyjmiemy, że cały koder zintegrowany jest na jednym podłożu tak, że straty wprowadzane są zależne głównie od połączeń włókno-falowód i falowód-włókno (wynoszące w sumie około 6dB) i straty na jeden poziom kwantowania przyjmiemy 1dB, to sumaryczne straty A_cod wynoszą:

[dB] (7.13)

Założono straty dostępu w modulatorze A_mod równe 3dB oraz jednostkową głębokość modulacji. Energia jednego impulsu wytworzonego przez każdy laser wynosi .

Na rys. 7.12 przedstawiona jest energia docierająca do detektora, przy powyższych założeniach, w zależności od ilości odbiorników N dla jednego lasera oraz dla matrycy N modowo-kluczowanych laserów. Dla odtworzenia przez odbiornik danych z zadowalającą stopą błędu (np. BER<10^-9) czułość detektora musi być mniejsza niż wartość odbieranego sygnału. Na rysunku podano czułości kilku detektorów dla fali o długości 1,3μm.

Rys. 7.12. Energia E_d docierająca do odbiornika w funkcji ilości odbiorników N dla jednego oraz matrycy N modowo-kluczowanych laserów.

---