Internet přes optiku

11.03.2019

K internetu se lze v dnešní době připojit hned několika různými způsoby, počínaje “vlastní” anténou, přes kabel až po LTE. Jistě jste i vy zaznamenali nabídku výhodného připojení k internetu přes optický kabel, přičemž zmíněná výhoda nespočívala ani tak v nízké ceně, jako spíše ve stabilitě a rychlosti připojení. Víte, že velká části bezdrátových sítí jsou také postavené na optice? Použitá technologie pro poslední metry sítě neznamená, že za bezdrátem neběží nejmodernější optika. 

Jaká je vlastně historie optického vlákna a jak se staví optické sítě? 

Síla vlákna

Optická vlákna jsou dnes synonymem pro rychlý internet. Vlákna samotná jsou produktem zadání vývoje potřeby propojování měst a ústředen, dále se pokračovalo telefonní sítí, v době nárůstu penetrace telefonních přípojek v 50. letech na Západě. 

Kapacita metalické sítě pro dálkové přenosy byla omezená, přenos na velkou vzdálenost drahý. Páteřní síť na větší vzdálenosti byla dokonce realizovaná radiovými spoji, bylo to považované za lepší řešení pro případ přerušení spojení. 

Mezinárodní sítě bylo technicky nesmírně těžké realizovat. Vývojáři přemýšleli, co s tím. Řešení se našlo v Británii, profesor Charles Kuen Kao z Hong Kongu v roce 1966 publikoval v časopise Proc. IEE klíčový článek o vynálezech přenosu dat v prostředí skleněného vodiče.

Soustředil se na problém optických ztrát a disperze a došel k závěru, že amorfní materiály, zejména křemenné sklo, jsou pro tento účel jedinečné. Bylo však třeba vyřešit mnohem více, nežli problém ohybu vlákna při instalaci. 

Již tenkrát správně odhadl přípustnou mez optických ztrát na úrovni 20 dB/km (umožňující přenést 1 % navázaného vstupního výkonu na vzdálenost 1 km) a související maximální přípustný obsah nečistot, který u kritických nečistot (např. Fe3+ , OH− , Co2+) nesmí přesahovat jednotky ppm (tj. desetitisíciny procenta).

V té době to byly hodnoty značně vizionářské, ale Kao se svojí úpornou celoživotní snahou přičinil o jejich realizaci. Za celoživotní dílo v této oblasti a za průlomové výsledky (základního) výzkumu přenosu světla ve vláknech byla před rokem Charlesi K. Kaovi udělena polovina Nobelovy ceny za fyziku. Společně s trojicí vědců N. G. Basovem, A. M. Prochorovem a C. H. Townesem, kteří ve stejné době položili základy moderním laserům, tak vybudoval fundament moderních komunikací.

Počátek historie přenosu světla optickými vlnovody ale sahá hluboko do 19. století, kdy Daniel Colladon, profesor univerzity v  Ženevě, demonstroval na  svých přednáškách (1841) vedení slunečního světla proudem vody (o indexu lomu 1,33) vytékajícím ven z nádrže (do vzduchu o indexu lomu ~1). Jeho pokus se stal známým zejména v podání Johna Tyndalla, který ho v roce 1853 zopakoval v Londýně. U nás je dobře známá Křižíkova fontána (obr. 1) vybudovaná již roku 1891 na pražském Výstavišti. 

Spojili byste si fontánu a hru se světly s moderními komunikacemi? Překvapivě je to tak. 

Samotný princip vedení světla skleněným vláknem je totiž jednoduchý. Jde v podstatě o využití jevu úplného vnitřního odrazu paprsku (angl. total internal reflection) na  rozhraní jádra a  obalu. 

Úplný odraz vyplývá ze známého Snellova zákona, který říká, že poměr sinů úhlu dopadu a lomu je pro určitá dvě prostředí stálý a rovný poměru velikosti indexu lomu (rychlosti vlnění) v jednotlivých prostředích. 

Šíří-li se paprsek opticky hustším prostředím pod různými úhly, v  jednom okamžiku nastane situace, kdy úhel lomu (α2) je roven 90° (sin α2 = 1). Takový úhel dopadu α1 nazýváme úhlem mezním (kritickým). Překročí-li úhel dopadu tento mezní úhel, dojde k úplnému odrazu paprsku zpět do prostředí opticky hustšího. Paprsek navázaný do  jádra optického vlákna se tedy šíří z jednoho konce na  druhý na  základě úplného odrazu (obr. 3) na  rozhraní mezi optickým jádrem (o vyšším indexu lomu) a obalem (o nižším indexu lomu). 

Pro laika. Komunikace optickými vlákny je realizovaná laserovým světlem s velkým výkonem, které díky velké šíři pásmo dokáže změnou stavu (základní modulace má dva stavy, svítí – nesvítí) v určitém úseku světelného spektra přenášet informace s velkou kapacitou. Když si představíte nejzákladnější modulační metodu, je to Morseova abeceda. Krátká, dlouhá, krátká. Pro takový přenos dat potřebujete úzký kanál, v řádu desítek hertz (Hz), abychom jej mohli slyšet. Lidské ucho je demodulátorem, bzučák vydávající zvuk je modulátorem. Pokud bychom byli schopní vnímat více zvuků najednou, třeba čtyři paralelní bzučáky s odlišným tónem (frekvencí v Hz), náš ušní demodulátor a na něj napojený mozek by dokázal zpracovat čtyřikrát více informací v jednom časovém úseku. Použitelná šíře pásma je od cca 50 Hz do cca 16 000 Hz, protože větší rozsah běžné lidské ucho není schopné zachytit. Běžná WiFi v 5 GHz používá šíři pásma 20 milionů Hertzů, a k tomu vyšší modulační rychlostí, tedy více stavy nežli svítí – nesvítí. Optické vlákno je schopné, v závislosti na délce vedení, přenášet až 20 000 milionů Hertzů! 

Do tak širokého kanálu je možné vložit tolik bitů datového toku na jeden Hz přenosové kapacity, že v závislosti na použité technologii koncových prvků sítě běžně dosahujeme přenosové kapacity s hodnotami 100 Gigabit za sekundu. Technologie jsou využívány na hlavních páteřních trasách. Taková technologie je ovšem drahá, a má omezenou vzdálenost, na kterou lze přenášet. Páteřní sítě proto musí být opatřené opakovači signálu. I takové, pro běžného uživatele skryté náklady, je nutné započítávat do ceny Vaší služby připojení k internetu. 

Není účelem tohoto článku zabíhat do technických podrobností a popisovat technické standardy, vězte ale, že i v rámci jednoho vlákna může probíhat komunikace různých vlnových délek, tedy barev světla, najednou. Možnosti optických vláken jsou netušené, proto se zaměříme především na technologii přístupové části sítě a cenou za data, které do ní přitékají. 

Přístupová část sítě je zjednodušeně ta, která z centrálního uzlu v obci vede do připojených domů.

Dovolím si malou ekonomickou vsuvku. Centrální uzel je napojený přípojnou sítí s velkou kapacitou do centrální páteřní sítě. Pro představu o ceně, transportní tunel z běžné menší obce do datacentra s kapacitou 1 Gbps stojí mezi 12 a 17 tisíci korunami bez DPH. Pokud chcete započítat cenu konektivity, Vašeho poskytovatele vyjde možnost připojit síť s kapacitou 1 Gbps a příslušným adresným rozsahem IP adres IPv4 na další vyšší tisíce korun bez DPH. Když se podaří, připojení optické sítě s páteřní konektivitou, která umožní účastníkovi brouzdat po internetu po celém světě, vyjde vašeho poskytovatele na 20 000 CZK bez DPH měsíčně. Mnohé jistě překvapí, že i v roce 2019 je nutné používat v síti agregaci, která počítá s chováním účastníků na síti a rozkládá jejich datovou spotřebu v čase. Proto je zásadní rozdíl mezi 1 Gbps kapacity přípojky v domácnosti a 1 Gbps do centrálního bodu v obci.

Technologie přístupových optických sítí FTTH (Fiber To The Home) jsou v zásadě dvě. Pasivní a aktivní. Pro ušetření nákladů při běžném provozu, a v případě nadzemních vedení i pro snížení počtu vláken, jsou dnešní sítě většinou stavěny v některém z pasivních standardů. 

PON (Passive Optical Network) - postačí přivést do bytového domu nebo ulice jedno optické vlákno. Pro rozdělení služby mezi účastníky se používá optický dělič - splitter, který dokáže v maximálním poměru 1:128 optickým hranolem rozdělit světlo, které teče optickým vláknem. Opravdu spolehlivě tato čarovná součástka vydělí část světla, které přiteče do domácí optické přípojky. Vše probíhá pasivně, bez nutnosti síť napájet ze zásuvky. Nevýhody PON sítí jsou dělení kapacity v předem nastaveném poměru, složité výpočty útlumů světla a nároky pro instalaci. Také případné navyšování kapacity nad 1 Gbps v budoucnu může být problém. Další nevýhodou je nízká standardizace, takže součásti sítě od jednoho výrobce nemusí vždy fungovat se zařízeními od jiného výrobce. 

Aktivní sítě, AON (Active Optical Network), jsou postavené „brutální silou“. V FTTH sítích jde o poněkud dražší metodu, protože z centrálního bodu je vyvedené vlákno pro každého zákazníka.

Na straně operátora je vložený optický modul do switche, na straně zákazníka je použitý router s optickým vstupem. Případně se používá media konvertor a běžný domácí WiFi router. 

Výhodou je použití univerzálního ethernetového rozhraní a snadné zrychlení přípojky. Vlákno zůstává, za dekádu používání na něm budou úplně jiné, modernější, koncové prvky třeba s 10 Gbps službou. 

Další optickou sítí, kterou lze považovat za aktivní, jsou FTTB sítě (Fiber To The Building). Zde je vlákno přivedené do budovy, ve které je umístěná aktivní technologie, switch. Domácnosti jsou připojené v rámci budovy strukturovanou kabeláží s 1 Gbps rychlostí. FTTB sítě ustupují z nové výstavby. Důvody jsou cenové. Vlákno dnes stojí stejně, nebo méně nežli kabel. Nevýhodou jsou náklady na napájení aktivní části sítě v domě, a nízká odolnost proti vandalům a zlodějům kovů. 

Jak jsme na tom v České republice s optickou infrastrukturou? 

Pomalu, ale vlastně rychle…

Politici rádi kritizují nízkou penetraci optickými přípojkami FTTH/B sítí. Jenomže čísla z Evropských zdrojů se rozcházejí s čísly z výroční zprávy ČTÚ. Teprve za rok 2018 budou přibližně stejný, je to díky srovnání metodik sběru dat. 

Podle údajů společnosti IDATE z roku 2018 je v ČR ze 4 075 000 domácností aktivně připojeno optickou sítí 693 000 domácností. Tedy zhruba 17% všech domácností aktivně využívá. Přitom optických přípojek máme disponibilních 1 812 000. Téměř dva miliony optických přípojek bylo vybudováno. Jistě, existují domácnosti, které si mohou vybírat z několika optických providerů, ale těch jistě není mnoho. Velmi rychlou technologií koaxiálních kabelů, s DOCSIS 3.0 nebo vyšší, je připojeno 900 000 domácností. Dostupná služba je pro více nežli 2 miliony domácností.

Největším investorem do domácích optických přípojek v ČR jsou regionální operátoři, jako je ÚVT, Eurosignal nebo Újezd.net. Postavili více nežli 90% všech dostupných FTTH/B služeb. Mnohem více, nežli velcí operátoři dohromady. 

Z pohledu velmi rychlého připojení na tom nejsme vůbec špatně. Problémem jsou malé obce, kterých je v ČR většina. Drahé investiční náklady, drahé služebnosti a nekvalitní legislativa brání rychlému rozvoji optických přístupových sítí na venkově. Proto jsou u nás takovým fenoménem bezdrátové sítě. Dobrou zprávou je, že i wireless technologie díky vývoji zrychlují na stovky Mbps. Důležité je, aby byla v katastru obce optika, aby operátor byl schopný data přenést do vyšších vrstev sítě. 

 

Autor článku: Jakub Moník