В последнее время современным магистралам (современным с большой буквы С) перестало хватать стандартных возможностей систем уплотнения как по дальности работы и количеству одновременно используемых каналов, так и по общей пропускной способности системы и возможностям расширения систем уплотнения. В Украине на сетевую арену активно стала выходить технология DWDM, при том как в качестве магистральной системы, так и в качестве локальной системы уплотнения.
Не так давно одному нашему украинскому провайдеру (пальцем просили не показывать, иначе нас сильно ругать будут) потребовалось прокинуть несколько десятков «ЖЭ» на 162 километра (по одному волокну) с желанием в будущем добавить в эту систему еще несколько тех же десятков «ЖЭ». Понятное дело, что «грэйдить» вширь и не бояться того, что лямбды внезапно закончатся, можно только имея DWDM (ну, или очень толстый и очень чёрный, а еще очень длинный и очень многожильный кабель). А если учесть расстояние, на которое нужно доставить гигантское количество пакетов одним пролётом (без регенерации «в поле»), то выбор DWDM является единственно верным и правильным решением.
Чтобы пробить такое серьезное расстояние одним пролётом, было принято решение спроектировать линию, которая включает в себя помимо стандартных мультиплексоров/трансиверов/коммутаторов еще и усилители мощности, компенсаторы дисперсии и красно-синие делители.
Расчеты, произведенные при проектировании системы:
Чувствительность трансиверов к дисперсии (A-Gear SFP+ DWDM 80LC и A-Gear XFP DWDM 80LC) – 1600пс/нм;
Трасса на волокне G.652D, дисперсия в волокне 17пс/(нм*км);
Суммарный показатель дисперсии на трассе 162км: 17пс/(нм*км) * 162км == 2754пс/нм;
Превышение нормы дисперсии: 2754пс/нм – 1600пс/нм == 1154пс/нм – принято решение поставить компенсатор дисперсии A-Gear DMC-FC120 (компенсирует полностью дисперсию в 120км волокна, суммарный показатель дисперсии: -2001пс/нм на длине волны 1545нм, длина волокна в компенсаторе 12,3км);
Бюджет потерь в линии: (162км + 12,3км) * 0,3дБм/км == 52,29дБм;
Оптический бюджет трансиверов (A-Gear SFP+ DWDM 80LC и A-Gear XFP DWDM 80LC) – 26дБм;
Превышение нормы затухания: 52,29дБм – 26дБм == 26,29дБм – принято решение поставить EDFA усилитель A-Gear BA4123 (чувствительность (-10)дБм, максимальная выходная мощность 23дБм) и предусилитель A-Gear PA4325 (чувствительность (-30)дБм, максимальная выходная мощность (-5)дБм).
Итогом стала реально работающая система, стабильная, как сам мир, дальнобойная – не всякая птица долетит, расширяемая, и вообще, самая лучшая. Фото этой системы представлена ниже, а еще ниже мы решили написать небольшой обзор существующих на сегодня DWDM комплектующих, методы их включения, терминологию – постарались охватить всё, что есть по DWDM.
На фото видно (сверху-вниз): коммутатор с трансиверами, два усилителя мощности (бустер и предусилитель), DWDM мультиплексор, снова коммутатор с трансивером и в самом низу (серое, почти не видно) – компенсатор дисперсии. Такой набор оборудования стоит в точке А и в точке Б (точки тоже просили не называть, грозя в телефон толстым кожаным армейским ремнём). Имея такой относительно небольшой и недорогой набор оборудования, легко и просто прострелить 162 километра, что и было достигнуто.
На этой оптимистической ноте вводная часть подходит к концу, а мы начинаем методичный разбор технологии, ставшей «магистральным флагманом» современного мира сетестроения.
1. Что такое DWDM, отличия DWDM от CWDM.
Для тех, кому недостаточно пропускной способности CWDM систем (180Гбит/с - крайний максимум), существует два варианта утоления «траффикового аппетита»: наращивать количетсво волокон (что обычно связано с землекопами, столболазами и вообще прошлый век) или использовать более «продвинутую» технологию уплотнения – DWDM.
DWDM (англ. Dense Wavelength Division Multiplexing – плотное волновое мультиплексирование) – технология уплотнения информационных потоков, при которой каждый первичный информационный поток переносится посредством световых пучков на разных длинах волн, а в оптической линии связи находится суммарный групповой сигнал, сформированный мультиплексором из нескольких информационных потоков.
Заумно. Попробуем разобраться. По аналогии с CWDM (для тех кто в курсе), DWDM – такая же система уплотнения, физически состоящая из устройств, генерирующих информационный поток (медиаконвертеры, маршрутизаторы… ну, Вы сами в курсе) трансиверов (приемо-передатчиков, создающих информационный поток на разных длинах волн невидимого для глаза ИК-излучения), мультиплексоров (устройств, создающих/разделяющих групповой световой сигнал) и оптического волновода (оптоволоконный кабель). Кроме того, в состав DWDM входит группа компонент, предназначенных для усиления/восстановления группового светового сигнала, но, дабы все шло последовательно, об этом будет глубоко ниже.
Сразу определимся со словами, которыми будем оперировать. Каналом в данной статье будем называть информационный поток в одну сторону (одна сторона «говорит» информационный поток, другая этот самый поток «слушает»). Канал располагается на единственной для него несущей, имеющей конкретно определенную длину волны (или частоту). Но, как известно, полноценную Связь невозможно выстроить между парой абонентов, один из которых глухой, а второй – немой. Поэтому для создания одной полноценной линии связи необходимо использовать два физических канала, и эту связку будем именовать «полноценный дуплексный канал ».
Итак, DWDM и CWDM занимаются одним и тем же – уплотнением. В чем же различие? А различие в частотной сетке (или в длинах волн несущих, кому как удобнее) несущих первичных информационных потоков (каналов). И в диапазонах работы самого группового сигнала.
Диапазон работы и частотная (волновая) сетка. Очередные малопонятные слова, в значениях которых попробуем разобраться. Что такое длина волны ? Представим себе синусоиду. Так вот, длина волны – это расстояние между двумя соседними пиками синусоиды. Обычно длина волны обозначается греческой буквой λ (лямбда). Наглядно показано на рисунке ниже:
В стандарте CWDM излучение удобно мерять в длинах волн: 1550нм, 1310нм и проч. (нанометры – 10 -9 метра!). Удобно, в первую очередь, потому, что числа целые. В стандартных CWDM системах расстояние между двумя соседними несущими (каналами) составляет 1610 – 1590 == 20нм (тоже целое! Ну, удобно же!).
Теперь рассмотрим эту же ситуацию со стороны частотного плана, для начала уяснив, что такое частота. Частота – это количество полных колебаний (от пика до пика) электромагнитной волны за секунду (обозначается в Герцах, или Гц). Для простейших расчетов можно рассматривать частоту как скорость света, делённую на длину волны. Рассмотрим информационных поток на несущей 1550нм, его частота примерно равна 300000000/0,00000155 == 193548387096774 Гц, или 193548 ГГц (Гигагерц!). а расстояние между соседними несущими будет 300000000/0,00000020 == 1500000000000000 Гц, или 1500000 ГГц. Совсем неудобно – много цифр и непонятно.
На сегодняшний день CWDM системы работают в диапазоне 1270нм-1610нм, представляя в нем 18 отдельных каналов (1270нм, 1290нм, 1310нм … 1590нм, 1610нм). Но в DWDM все обстоит немного по-другому.
DWDM системы работают в двух диапазонах, нарезанных для CWDM систем, в именно: диапазон С (C-Band) и диапазон L (L-Band). Диапазон C находится в пределах от 1528.77нм (канал С61) до 1577.03нм (канал C01), а диапазон L находится в пределах от 1577.86нм (канал L100) до 1622.25нм (канал L48). Цифры уже пугают, а если еще учесть тот факт, что волновая сетка неравномерна (то есть, расстояние между двумя соседними каналами не всегда одинаковое – от 0.5нм до 0.8нм), то проще запутаться, чем разобраться. Именно поэтому в DWDM системах используется наименование диапазона и нумерация канала в этом диапазоне (например, C35 или L91). Наглядно все обычные каналы DWDM системы представлены на рисунке 1.2, данные по частотам и длинам волн представлены в таблице 1.1:
Рисунок 1.2 – C и L диапазоны DWDM системы в общем диапазоне CWDM-систем.
Таблица 1.1 – обычная 100-гигагерцовая DWDM сетка.
Тут сразу следует сделать несколько оговорок.
Во-первых (и это важно для дальнейшего понимания! ), диапазон С условно разделен на два «цветовых диапазона» - синий (1528нм-1543нм) и красный (1547нм-1564нм). Зачем делить – об этом в последующих статьях, сейчас просто важно отметить для себя, что деление существует.
Во-вторых, L-диапазон только начинает использоваться, и не все производители могут позволить себе сделать оборудование для L-диапазона (таблица 1.1, помечено синим, в таблице отсутствуют каналы L48-L65).
В-третьих, в подписи к таблице фигурирует слово «обычная» - а это значит, что должны быть еще и «необычные» сетки. И они действительно есть.
Как мы выяснили выше, по длинам волн различать DWDM каналы неудобно. А вот по частотам – очень даже, и, если внимательно присмотреться к таблице 1.1, то видно, что разница между двумя соседними каналами всегда равна 100ГГц. И, если рассматривать диапазон C (на данный момент освоенный большинством производителей DWDM систем), то можно вывести суммарное количество каналов в нем – 61 канал. Сразу оговоримся, что, как и в CWDM системах, каждый канал – это информационный поток в одну сторону , а значит, для полноценного обмена данными их необходимо два (30 полноценных дуплексных канала в диапазоне C и 26 – в диапазоне L, всего – 56 полноценных дуплексных канала).
Кроме обычной 100-гигагерцовой сетки используют 200-гигагерцовую сетку (нечетные каналы С-диапазона ). Это связано с тем, что некоторое количество производителей DWDM оборудования не способно производить мультиплексоры для 100-гигагерцовой сетки, т.к. комплектующие для нее достаточно дорогие и должны быть более высокого качества относительно 200ГГц систем. В данной схеме уплотнения присутствует 31 однонаправленный канал связи или 15 полноценных дуплексных каналов.
Очень редко (ну ооооочень редко) используются DWDM системы уплотнения с 50-гигагерцовой сеткой. Это значит, что между двумя соседними основными каналами обычной 100-гигагерцовой сетки расположен дополнительный подканал. Такие каналы именуются Q и H : Q – подканалы в диапазоне L (например, Q80 – частота 188050ГГц, длина волны 1594.22нм), H – подканалы в диапазоне C (например, H23 – частота 19230ГГц, длина волны 1558.58нм). В таких системах уплотнения в диапазоне C находится 61 основной канал и 61 дополнительный, всего – 122 канала. В диапазоне L – 53 основных и 53 подканала, всего – 106 каналов. Суммарная мощность == 122+106 == 228 однонаправленных каналов, или 114 полноценных дуплексных канала связи! Это много. Очень много. Но очень и очень дорого, и автор не встречал упоминаний о проектах с полной загрузкой DWDM системы с 50-ГГЦ сеткой.
Подведем итоги:
- «облегченный вариант» DWDM системы имеет 200-гигагерцовую сетку и способен обеспечить 15 полноценных дуплексных канала в диапазоне C, оставив при этом место еще и для 15 CWDM каналов (1270нм-1510нм, 1590нм, 1610нм);
Стандартная DWDM система имеет 100-гигагерцовую сетку и способна обеспечить 30 полноценных дуплексных канала в диапазоне C и 26 полноценных дуплексных канала в диапазоне L, при этом также оставив место еще и для 15 CWDM каналов (1270нм-1510нм, 1590нм, 1610нм);
Полная DWDM система имеет 50-гигагерцовую сетку и способна обеспечить 60 полноценных дуплексных канала в диапазоне C и 52 полноценных дуплексных канала в диапазоне L, опять же оставив место еще и для 15 CWDM каналов (1270нм-1510нм, 1590нм, 1610нм);
Основным принципом технологии WDM (Wavelength-division multiplexing, частотное разделение каналов) является возможность передавать в одном оптическом волокне множество сигналов на различных несущих длинах волн. В российском телекоме системы передачи, созданные с помощью технологии WDM, называют «системы уплотнения».
На данный момент существуют три типа WDM-систем:
1. CWDM (Coarse Wavelength-division multiplexing - грубое частотное разделение каналов) -системы с разносом оптических несущих на 20 нм (2500 ГГц). Рабочий диапазон 1261-1611 нм, в котором можно реализовать до 18 симплексных каналов. Стандарт МСЭ G.694.2.
2. DWDM (Dense Wavelength-division multiplexing - плотное частотное разделение каналов) - системы с разносом оптических несущих на 0,8 нм (100 ГГц). Существуют два рабочих диапазона - 1525-1565 нм и 1570-1610 нм, в которых можно реализовать до 44 симплексных каналов. Стандарт МСЭ G.694.1.
3. HDWDM (High Dense Wavelength-division multiplexing - высокоплотное частотное разделение каналов) - системы с разносом оптических несущих на 0,4 нм (50 ГГц) и менее. Возможна реализация до 80 симплексных каналов.
В данной статье (обзоре) уделено внимание проблеме мониторинга в системах уплотнения DWDM, более подробно о различных типах WDM-систем можно ознакомиться по ссылке - ссылка .
Системы спектрального уплотнения DWDM могут использовать один из двух диапазонов несущих длин волн: С-диапазон - 1525-1565 нм (также может встречаться conventional band или C-band) и L-диапазон - 1570-1610 нм (также может встречаться long wavelength band или L-band).
Деление на два диапазона обосновано использованием разных оптических усилителей с различными рабочими диапазонами усиления. Ширина полосы усиления для традиционной конфигурации усилителя составляет примерно 30 нм, 1530-1560 нм, что является С-диапазоном. Для усиления в длинноволновом диапазоне (L-диапазон) конфигурация эрбиевого усилителя меняется путем удлинения эрбиевого волокна, что приводит к смещению диапазона усиления в длины волн 1560-1600 нм.
На данный момент в российском телекоме большое признание получило оборудование DWDM C-диапазона. Связано это с обилием различного оборудования, поддерживающего данный диапазон. Следует отметить, что производителями оборудования выступают как маститые отечественные компании и ведущие мировые бренды, так и многочисленные безликие азиатские производители.
Основным вопросом на любом участке системы уплотнения (в независимости от типа) является уровень мощности в оптическом канале. Для начала следует разобраться, из чего обычно состоит система уплотнения DWDM.
Компоненты DWDM-системы:
1) Транспондер
2) Мультиплексор/демультиплексор
3) Оптический усилитель
4) Компенсатор хроматической дисперсии
Транспондер производит 3R-регенерацию («reshaping, «re-amplifying», «retiming» -восстановление формы, мощности и синхронизации сигнала) приходящего клиентского оптического сигнала. Транспондер может производить также конвертацию клиентского трафика из одного протокола передачи (зачастую Ethernet) в другой, более помехозащищенный (например, OTN с использованием FEC) и передавать сигнал в линейный порт.
В более простых системах в роли транспондера может выступать OEO-преобразователь, который производит 2R-регенерацию («reshaping», «re-amplifying») и без изменения протокола передачи передает клиентский сигнал в линейный порт.
Клиентский порт зачастую выполняется в виде слота для оптических трансиверов, в который вставляется модуль для связи с клиентским оборудованием. Линейный порт в транспондере может быть выполнен в виде слота для оптического трансивера или в виде простого оптического адаптера. Исполнение линейного порта зависит от конструктива и назначения системы в целом. В OEO-преобразователе линейный порт всегда выполнен в виде слота для оптического трансивера.
Во многих системах промежуточное звено - транспондер, исключается в целях снижения стоимости системы или из-за функциональной избыточности в конкретной задаче.
Оптические мультиплексоры предназначены для объединения (смешения) отдельных WDM-каналов в групповой сигнал для одновременной их передачи по одному оптическому волокну. Оптические демультиплексоры предназначены для разделения принятого группового сигнала на приемной стороне. В современных системах уплотнения, функции мультиплексирования и демультиплексирования выполняет одно устройство - мультиплексор/демультиплексор (MUX/DEMUX).
Мультиплексор/демультиплексор условно можно разделить на блок мультиплексирования и блок демультиплексирования.
Оптический усилитель на основе примесного оптического волокна, легированного эрбием (Erbium Doped Fibre Amplifier-EDFA), увеличивает мощность входящего в него группового (без предварительного демультиплексирования) оптического сигнала без оптоэлектронного преобразования. Усилитель EDFA состоит из двух активных элементов: активного волокна, легированного Ег3+ и подходящей накачки.
В зависимости от типа, EDFA может обеспечить выходную мощность от +16 до +26 дБм.
Существует несколько видов усилителей, применение которых определяется конкретной задачей:
Входные оптические усилители мощности (бустеры) - устанавливаются в начале трассы
Оптические предусилители - устанавливаются в конце трассы перед оптическими приемниками
Линейные оптические усилители - устанавливаются на промежуточных узлах усиления для поддержания необходимой оптической мощности
Оптические усилители широко применяются на протяженных линиях передачи данных с системами спектрального уплотнения DWDM.
Компенсатор хроматической дисперсии (Dispersion Compensation Module) предназначен для исправления формы оптических сигналов, передаваемых в оптическом волокне, которые, в свою очередь, искажаются под влиянием хроматической дисперсии.
Хроматическая дисперсия - физическое явление в оптическом волокне, заключающееся в том, что световые сигналы с разными длинами волн проходят одно и то же расстояние за разный промежуток времени и в результате чего происходит уширение передаваемого оптического импульса. Таким образом, хроматическая дисперсия является одним из основных факторов, ограничивающим протяженность ретрансляционного участка трассы. Стандартное волокно имеет значение хроматической дисперсии около 17 пс/нм.
Для увеличения протяженности ретрансляционного участка на линии передачи устанавливаются компенсаторы хроматической дисперсии. Установка компенсаторов зачастую требует линии передачи со скоростью 10 Гбит/с и более.
Существуют два основных типа DCM:
1. Волокно, компенсирующее хроматическую дисперсию - DCF (Dispersion Compensation Fiber). Основной составляющей частью данных пассивных устройств является волокно с отрицательным значением хроматической дисперсии в диапазоне длин волн 1525-1565 нм.
2. Компенсатор хроматической дисперсии на основе решетки Брэгга - DCM FBG (Dispersion Compensation Module Fiber Bragg Grating). Пассивное оптическое устройство, состоящее из чирпированного волокна и оптического циркулятора. Чирпированное волокно за счет структуры создает условно отрицательную хроматическую дисперсию входящих сигналов в диапазоне длин волн 1525-1600 нм. Оптический циркулятор в устройстве выполняет роль фильтрующего устройства, направляющего сигналы в соответствующие выводы.
Таким образом, стандартная схема состоит всего из двух типов активных компонентов -транспондер и усилитель, с помощью которых можно отслеживать текущий уровень мощности передаваемых сигналов. В транспондерах реализована функция мониторинга состояния линейных портов либо на основе встроенной функции DDMI в оптические трансиверы, либо с организацией собственного мониторинга. Использование данной функции позволяет оператору получать актуальную информацию о состоянии определенного канала связи.
По причине того, что оптические усилители представляют собой усилители с обратной связью, в них всегда присутствует функция мониторинга входного группового сигнала (суммарная оптическая мощность всех входящих сигналов) и исходящего группового сигнала. Но данный мониторинг неудобен в случае контроля конкретных каналов связи и может использоваться как оценочный (наличие или отсутствие света). Таким образом, единственным инструментом контроля оптической мощности в канале передачи данных является транспондер.
А так как системы уплотнения состоят не только из активных, но и из пассивных элементов, организация полноценного мониторинга в системах уплотнения является весьма нетривиальной и востребованной задачей.
Варианты организации мониторинга в системах уплотнения WDM будут рассмотрены в следующей статье.
Оптическое волокно обладает огромной пропускной способностью. Еще лет двадцать назад людям казалось, что им вряд ли потребуется и сотая ее часть. Однако время идет и потребности в передаче больших объемов информации растут все быстрее. Такие технологии как ATM, IP, SDH (STM-16/64) уже в ближайшей перспективе могут не справится с “взрывным” ростом передаваемой информации. На смену им пришла технология DWDM.
DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing) – технология плотного мультиплексирования с разделением по длине волны. Суть технологии DWDM заключается в том, что по одному оптическому волокну передаются несколько информационных каналов на различных длинах волн, что позволяет максимально эффективно использовать возможности волокна. Это позволяет максимально увеличить пропускную способность ВОЛС, не прокладывая новые кабели и не устанавливая новое оборудование. Кроме того, работать с несколькими каналами в волокне намного удобнее, чем работать с разными волокнами, так как для обработки любого числа каналов требуется один мультиплексор DWDM.
Системы DWDM основаны на способности оптического волокна одновременно передавать свет различных длин волн без взаимной интерференции. Каждая длина волны представляет отдельный оптический канал. Поясним для начала понятие интерференции.
Интерференция света – перераспределение интенсивности света в результате наложения (суперпозиции) нескольких когерентных световых волн. Это явление сопровождается чередующимися в пространстве максимумами и минимумами интенсивности.
В определении интерференции есть важное понятие когерентности. Световые волны когерентны, когда разность их фаз постоянна. Если волны будут накладываться в противофазе – амплитуда итоговой волны равна нулю. В противном случае, если волны накладываются в одной фазе – то амплитуда результирующей волны будет больше.
На этом этапе важно понять, что если две волны имеют разные частоты они уже не будут когерентны. Соответственно влияния друг на друг оказывать не должны. Исходя из этого, становится понятно, что мы можем передавать одновременно по одной среде модулированные сигналы с разными длинами волн (частотами) и они не будут оказывать друг на друга никакого влияния. Именно эта идея лежит в основе технологии DWDM. На сегодняшний день технология DWDM позволяет передавать по одному волокну каналы с разницей длин волн между соседними каналами всего в доли нанометра. Современное оборудования DWDM поддерживает десятки каналов, каждый емкостью 2,5 Гбит/с.
Казалось бы, что если волны разных частот не накладываются друг на друга, то в оптическое волокно можно ввести практически бесконечное число каналов, ведь спектр света огромен. В теории это так, но на практике есть определенные проблемы. Во-первых ранее мы рассматривали строго монохроматическую волну (одной частоты). Добиться такой монохроматичности весьма тяжело, так как световые волны генерируются лазерами – электронными компонентами, которые подвержены такому явлению как тепловой шум. При генерации световой волны лазер будет неосознанно искажать выходной сигнал, что приведет к небольшим вариациям частоты. Во-вторых монохроматическая волна имеет ширину спектра, равную нулю. На графике ее можно представить как одну единственную гармонику. В реальности же спектр светового сигнала отличен от нуля. Об этих проблемах стоит помнить, когда мы говорим про системы DWDM.
Суть технологии спектрального (оптического) уплотнения заключается в возможности организации множества раздельных клиентских сигналов (SDH, Ethernet) по одному оптическому волокну. Для каждого отдельного клиентского сигнала необходимо изменить длину волны. Данное преобразование выполняется на DWDM-транспондере. Выходной сигнал с транспондера будет соответствовать конкретному оптическому каналу со своей длиной волны. Затем при помощи мультиплексора сигналы смешиваются и передаются в оптическую линию. В конечном пункте происходит обратная операция – при помощи демультиплексора сигналы выделяются из группового сигнала, меняют длину волны на стандартную (на транспондере), и передаются клиенту. Из-за оптический сигнал имеет свойство затухать. Для того, чтобы его усилить на оптической линии используются усилители.
Мы рассмотрели работу системы DWDM в общем виде. Далее будет более подробное изложение компонентов DWDM системы.
Транспондер DWDM – частотный преобразователь, обеспечивает интерфейс между оборудованием оконечного доступа и линией DWDM. Изначально транспондер предназначался для преобразования клиентского сигнала (оптического, электрического) в оптический сигнал с длиной волны в диапазоне 1550 нм (характерной для DWDM-систем). Однако со временем в транспондерах появилась функция регенерации сигнала. Регенерация сигнала быстро прошла три стадии развития – 1R, 2R, 3R.
- 1R – ретрансляция. Восстанавливается только амплитуда. Это ограничивало протяженность ранних систем DWDM, так как по сути остальные параметры (фаза, форма) не восстанавливались и в итоге получался “мусор на входе – мусор на выходе”.
- 2R – восстановление амплитуды сигнала и его длительности. В этих транспондерах использовался триггер Шмидта для очистки сигнала. Не получили большой популярности.
- 3R – восстановление амплитуды сигнала, его длительности и фазы. Полностью цифровое устройство. Способен распознавать служебные байты управляющего уровня SONET/SDH – сетей.
Мукспондер DWDM (мультиплексор-транспондер) – это система, выполняющая временное мультиплексирование низкоскоростного сигнала в высокоскоростную несущую.
(Де)мультиплексор DWDM – это устройство, которое с помощью различных методов волнового разделения объединяют несколько оптических сигналов для передачи сигналов по оптическому волокну и разделяют эти сигналы после передачи.
Часто требуется добавить в составной сигнал и выделить из него только один канал, не меняя при этом всю структуру сигнала. Для этого применяются мультиплексоры ввода/вывода каналов OADM (Optical Add/Drop Multiplexer), которые выполняют эту операцию, не преобразуя сигналы всех каналов в электрическую форму.
Усилители на волокне, легированном эрбием EDFA (Erbium-Doped Fiber Amplifier) за последние несколько лет произвели революцию в телекоммуникационной промышленности. Усилители EDFA обеспечивают непосредственное усиление оптических сигналов без из преобразования в электрические сигналы и обратно, обладают низким уровнем шумов, а их рабочий диапазон длин волн практически точно соответствует окну прозрачности кварцевого оптического волокна. Именно благодаря появлению усилителей с таким сочетание качеств линии связи и сети на основе систем DWDM стали экономичными и привлекательными.
В линии связи после оптического передатчика часто устанавливают аттюнюаторы, которые позволяют уменьшать их выходную мощность до уровня, соответствующего возможностям расположенных далее мультиплексоров и усилителей EDFA.
Оптическое волокно и некоторые компоненты систем DWDM обладают хроматической дисперсией. Показатель преломления волокна зависит от длины волны сигнала, что приводит к зависимостям скорости распространения сигнала от длины волны (материальная дисперсия). Даже если показатель преломления не зависил бы от длины волны, сигналы разных длин волн все равно распространялись бы с разной скоростью из-за внутренних геометрических свойств волокна (волноводная дисперсия). Результирующее воздействие материальной и волноводной дисперсий называется хроматической дисперсией.
Хроматическая дисперсия приводит к уширению оптических импульсов по мере их распространения по волокну. При большой протяженности линии это приводит к тому, что близко идущие импульсы начинают перекрываться, ухудшая сигнал. Устройства компенсации дисперсии DCD придают сигналу равную по величине, но противоположную по знаку дисперсию и восстанавливают первоначальную форму импульсов.
Системы DWDM имеют множество топологий: кольцевая, ячеистая, линейная. Рассмотрим наиболее популярную сегодня кольцевую топологию. Кольцевая топология обеспечивает живучесть сети DWDM за счет резервных путей. Для того, чтобы какое-либо соединение было защищено, между его конечными точками устанавливаются два пути – основной и резервный. Мультиплексор конечной точки сравнивает два сигнала и выбирает сигнал лучшего качества (или сигнал, заданный по-умолчанию).
Подписывайтесь на нашу
Спектральное уплотнение каналов (Wavelength division multiplexing, WDM, буквально мультиплексирование с разделением по длине волны) - технология, позволяющая одновременно передавать несколько информационных каналов по одному оптическому волокну на разных несущих частотах.
Традиционные технологии телекоммуникаций позволяют по одному оптическому волокну передать только один сигнал. Суть же технологии спектрального, или оптического уплотнения заключается в возможности организации множества раздельных сигналов SDH по одному волокну, а, следовательно, многократном увеличении пропускной способности линии связи.
Основы этой технологии были заложены в 1958, еще до появления самой волоконной оптики. Однако прошло около 20 лет, прежде чем были созданы первые компоненты мультиплексных систем. Первоначально они создавались для лабораторных исследований, и лишь в 1980 году технология спектрального уплотнения WDM была предложена для телекоммуникаций. А еще через пять лет в исследовательском центре компании AT&T была реализована технология плотного спектрального уплотнения (Dense Wavelength Division Multiplexing, DWDM), когда удалось в одном оптическом волокне создать 10 каналов по 2 Gbps.
Технология WDM позволяет существенно увеличить пропускную способность канала (к 2009 году достигнута скорость 15,5 Тбит/с), причем она позволяет использовать уже проложенные волоконно-оптические линии. Благодаря WDM удается организовать двустороннюю многоканальную передачу трафика по одному волокну (в обычных линиях используется пара волокон - для передачи в прямом и обратном направлениях).
Принцип работы систем со спектральным уплотнением
В простейшем случае каждый лазерный передатчик генерирует сигнал на определенной частоте из частотного плана. Все эти сигналы перед тем, как вводятся в оптическое волокно объединяются мультиплексором (MUX). На приемном конце сигналы аналогично разделяются демультиплексором (DEMUX). Здесь, так же как и в SDH сетях, мультиплексор является ключевым элементом.
Передаваемый по технологии WDM световой поток, состоит из различных длин волн (λ).
Рисунок12.1 – Принцип передачи сигналов в WDM
То есть по одному волокну можно передавать более сотни стандартных каналов. Так, аппаратура, используемая при построении DWDM-сети Компании ТрансТелеКом, в максимальной конфигурации позволяет задействовать до 160 длин волн.
Принципиальная схема WDM достаточно проста. Для того чтобы организовать в одном волокне несколько оптических каналов сигналы SDH «окрашивают», то есть меняют оптическую длину волны для каждого такого сигнала. «Окрашенные» сигналы смешиваются при помощи мультиплексора и передаются в оптическую линию. В конечном пункте происходит обратная операция - «окрашенные» сигналы SDH выделяются из группового сигнала и передаются потребителю.
Рисунок12.2 –Мультиплексирование – демультиплексирование сигналов в WDM
Естественно, что для того чтобы передавать по одному волокну множество волновых потоков, технология WDM обеспечена оборудованием особой точности. Так, погрешность длины волны, которую обеспечивает стандартный лазер, применяемый в телекоммуникациях, примерно в сто раз больше, чем требуется в системе WDM.
По мере прохождения по оптическому волокну сигнал постепенно затухает. Для того чтобы его усилить, используются оптические усилители. Это позволяет передавать данные на расстояния до 4000 км без перевода оптического сигнала в электрический (для сравнения, в SDH это расстояние не превышает 200 км).
Рисунок 12.3 – Система предеачи WDM
Преимущества WDM очевидны. Эта технология позволяет получить наиболее масштабный и рентабельный способ расширения полосы пропускания волоконно-оптических каналов в сотни раз. Пропускную способность оптических линий на основе систем WDM можно наращивать, постепенно добавляя по мере развития сети в уже существующее оборудование новые оптические каналы.
В общем случае схема применения технологий WDM может быть представлена так, как указано на рисунке 3.
Рисунок 12.4.
Типовой состав оборудования представляет собой необходимое количество оптических транспондеров, осуществляющих преобразование длин волн и оптический мультиплексор, смешивающий их все в один мультиспектральный сигнал.
Оптический транспондер – устройство, обеспечивающее интерфейс между оборудованием оконечного доступа и линией WDM. Согласно рекомендациям МСЭ G.957 для систем СЦИ (SDH) допустимые значения спектральных параметров на выходных оптических интерфейсах имеют следующие значения: ширина спектральной линии Δλ≈±0.5 нм (для STM -16), а центральная длина волны может иметь любое значение в пределах диапазона 1530... 1565 нм. На входы же оптического мультиплексора должны поступать оптические сигналы, спектральные параметры которых, должны строго соответствовать стандартам, определённым рекомендацией ITU-T G.692. Очевидно, что если на оптические входы мультиплексоров подать сигналы с выходов оптических передатчиков SDH, то мультиплексирование осуществлено не будет. Необходимое соответствие достигается благодаря применению в аппаратуре WDM специального преобразователя длин волн - транспондера. Это устройство может иметь различное количество оптических входов и выходов. Но если на любой вход транспондера может быть подан оптический сигнал, параметры которого определены рекомендации G.957, то выходные его сигналы должны по параметрам соответствовать рекомендации G.692. При этом, если уплотняется m оптических сигналов, то на выходе транспондера длина волны каждого канала должна соответствовать только одному из них в соответствии с сеткой частотного плана ITU.
Оптический (де)мультиплексор CWDM. Основой мультиплексора/демультиплексора является дисперсионный элемент, способный разделить сигналы различных длин волн. В современных CWDM-системах для разделения оптических несущих применяются, как правило, относительно недорогие устройства на основе тонкопленочных фильтров (TFF, Thin Film Filter). Потери, вносимые такими устройствами, составляют около 1 дБ на канал (в реальных системах были получены величины менее 2,5 дБ для 8-канального устройства). Тонкопленочная технология характеризуется высокой развязкой (изоляцией) соседних каналов – порядка 30 дБ, высокой температурной стабильностью – 0,002 нм/°С, что эквивалентно изменению рабочей длины волны на ±0,07 нм при изменении температуры на ±35°С. Для выделения длин волн с разносом 20 нм требуются фильтры с существенно меньшим числом диэлектрических слоев, чем в случае DWDM-фильтров (примерно 50 и 150 слоев соответственно), что положительно сказывается на стоимости.
Мультиплексоры/демультиплексоры, основанные на применении многослойных тонкопленочных фильтров, являются (де)мультиплексорами последовательного типа, то есть один фильтр выделяет один канал. Использование таких устройств в системах со большим числом каналов (на практике больше 4-х) может привести к значительному росту вносимых потерь, и в этом случае иногда используют решеточные (де)мультиплексоры параллельного или гибридного параллельно-последовательного типа. Принцип их работы заключается в том, что приходящий сигнал проходит через волновод-пластину и распределяется по множеству волноводов, фактически представляющих собой дифракционную структуру AWG (arrayed waveguide grating). При этом в каждом волноводе по-прежнему присутствуют все длины волн, т.е. сигнал остается мультиплексным, только распараллеленным. Так как длины волноводов отличаются друг от друга на фиксированную величину, потоки проходят разный по длине путь. В итоге световые потоки собираются в волноводе-пластине, где происходит их фокусировка, и создаются пространственно разнесенные максимумы, под которые и рассчитываются выходные полюса. Физика процесса такая же, как в обычной дифракционной решетке, что и дало название технологии. Мультиплексирование происходит обратным путем.
Структура уплотненного волнового мультиплексирования (DWDM) создана для оптических магистралей нового времени, которые работают на терабитных и мультигигабитных скоростях. Речь идет о большой производительности мультиплексирования, то есть данные в оптическом волокне транспортируются одновременно большим количеством световых волн — лямбд λ .
Сеть DWDM соответствует принципу , каждая световая волна передается по отдельному спектральному каналу и передает личную информацию. Аппаратная часть DWDM не занимается прямыми проблемами транспортировки данных на каждой волне, образно говорят методами кодирования данных и протоколами передачи. Его основная задача это мультиплексирования и демультиплексирования , а если быть проще, то организация разных волн в один световой пучок а потом выделение данных каждого спектрального канала из общего сигнала. Эта технология считается революционной благодаря возможности коммутации и мультиплексирования над световыми сигналами без модификации их в электрическую форму. Эта технология не поддерживает и , она только передает световые волны. В таких сетях нужна правильная работа а также .
Технологии
На сегодня аппаратная часть DWDM разрешает транспортировать по одному оптическому волокну 32 и больше волн разной длины в окне прозрачности 1550 нм. И каждая волна может транспортировать данные со скоростью до 10 Гбит/с. На данный момент идет процесс повышения скорости транспортировки данных на одной длине волны с в 40-80 Гбит/с. Самым важной характеристикой в технологии плотного волнового мультиплексирования является расстояние между соседними каналами. Стандартизация пространственного расположения линий нужна, для того, что на ее основе можно будет проводить тесты на взаимную совместимость оборудования разных производителей. Сектор по стандартизации телекоммуникаций международного союза по электросвязи ITU-T утвердил частотный план DWDM с расстоянием между соседними каналами в 1000 ГГц. Не понимая какие преимущества и ограничения имеет каждый частотный план, организации и операторы связи, которые планируют наращивать пропускную способность сети, могут напороться на значительные трудности.
Сетка 100 ГГц показана в таблице 1 с частотным планом 100 ГГц и разной степенью разреженности каналов. Все сетки кроме 500/400 обладают равноудаленными каналами. Равномерное распределение каналов разрешает оптимизировать работу волновых конвертеров, лазеров и др. и разрешает легче реализовать наращивание. Реализация любой сетки частотного плана зависит от:
- скорости передачи на канал
- нелинейных эффектов
- типа оптического усилителя (фтор-цирконатный или кремниевый)
| Длина волны | Номер канала | Диапазон |
|---|---|---|
| 1565,50 | 15 | |
| 1564,68 | 16 | Red-Band |
| 1563,86 | 17 | Red-Band |
| 1563,05 | 18 | Red-Band |
| 1562,23 | 19 | Red-Band |
| 1561,42 | 20 | Red-Band |
| 1560,61 | 21 | Red-Band |
| 1559,79 | 22 | Red-Band |
| 1558,98 | 23 | Red-Band |
| 1558,17 | 24 | Red-Band |
| 1557,36 | 25 | Red-Band |
| 1556,55 | 26 | Red-Band |
| 1555,75 | 27 | Red-Band |
| 1554,94 | 28 | Red-Band |
| 1554,13 | 29 | Red-Band |
| 1553,33 | 30 | Red-Band |
| 1552,52 | 31 | Red-Band |
| 1551,72 | 32 | Red-Band |
| 1550,92 | 33 | Red-Band |
| 1550,12 | 34 | Red-Band |
| 1549,32 | 35 | Red-Band |
| 1548,51 | 36 | Red-Band |
| 1547,72 | 37 | Red-Band |
| 1546,92 | 38 | |
| 1546,12 | 39 | |
| 1545,32 | 40 | |
| 1544,53 | 41 | |
| 1543,73 | 42 | Blue-Band |
| 1542,94 | 43 | Blue-Band |
| 1542,14 | 44 | Blue-Band |
| 1541,35 | 45 | Blue-Band |
| 1540,56 | 46 | Blue-Band |
| 1539,77 | 47 | Blue-Band |
| 1538,98 | 48 | Blue-Band |
| 1538,19 | 49 | Blue-Band |
| 1537,4 | < 50 > | Blue-Band |
| 1536,61 | 51 | Blue-Band |
| 1535,82 | 52 | Blue-Band |
| 1535,04 | 53 | Blue-Band |
| 1534,25 | 54 | Blue-Band |
| 1533,47 | 55 | Blue-Band |
| 1532,68 | 56 | Blue-Band |
| 1531,9 | 57 | Blue-Band |
| 1531,12 | 58 | Blue-Band |
| 1530,33 | 59 | Blue-Band |
| 1529,55 | 60 | Blue-Band |
| 1528,77 | 61 | Blue-Band |
Стандартные EDFA на кремниевом волокне обладают одним недостатком — многую вариацию коэффициента усиления в области ниже 1540 нм, что дает низкий параметр соотношения сигнал/шум и нелинейности усиления в этой области. С увеличением полосы пропускания минимальное значение по стандарту соотношение сигнал/шум увеличивается. Для канала STM-64 оно на 4-7 дБ больше, чем для STM-16. По этому, нелинейность коэффициента усиления кремниевого EDFA сильно ограничивает размер зоны для мультиплексных каналов STM-64 (1540-1560 нм), чем для каналов STM-16 и меньшей емкости.
Сетка 50 ГГц более плотная, но нестандартизированная. Сетка с таким частотным планом разрешает эффективней реализовывать зону 1540-1560 нм,где работают стандартные кремниевые EDFA. При такой сетке есть ряд минусов .
- при уменьшении межканального интервала увеличивается влияние эффект четырехволнового смешивания, что ограничивает максимальную длину межрегенерационной линии.
- Маленькое межканальное расстояние ~ 0,4 нм может ограничить реализацию мультиплексирования каналов STM-64. На рис.1 видно, что мультиплексирование каналов STM-64 с интервалом в 50 ГГц невозможно, так как возникает перекрытие спектров соседних каналов.
- При интервале в 50 ГГц требования и производству лазеров и др компонентов становится жесткими, что снижает потенциальное число производителей.
Рисунок 1
мультиплексоры DWDM
Мультиплесоры DWDM относительно WDM имеют две отличительные черты:
- малые дистанции между мультиплесными каналами — 0,8 нм или 0,4 нм
- реализация только одного окна прозрачности 1550 нм
Мультиплексирование DWDM имеет название уплотненное , так как используется на много меньше расстояние между длинами волн, чем у предшествинника WDM и . На текущий момент рекомендацией G.692 сектора ITU-T есть два частотных плана (набор частот, которые отстают друг от друга на одну и ту же константу):
- частотны план с разбросом частот между соседними каналами 100 ГГц (Δλ≈ 0,8 нм) для которого применяется 41 волна в диапазоне от 1528,77 (196,1 ТГц) до 1560,61 нм (192,1 ТГц);
- частотны план с шагом 50 ГГц (Δλ≈ 0,4 нм) что дает в том же диапазоне 81 длину волны.
На рисунке 2.а показана обычная схема DWDM — мультиплексора с зеркальным отражательным элементом. Входной мультиплесный сигнал попадает на входной порт. Этот сигнал проходит через волновод-пластину и расходится по множеству волноводов. Далее реализовано отражение сигналов от зеркальной поверхности после чего световые потоки вновь собираются в волноводе-пластине, где реализована фокусировка и интерференеция (создаются пространственно разнесенные интерференционные максимумы интенсивности, соответствующие разным каналам).
Другой метод реализации мультиплексора основан не на одной, а на паре волноводов-пластин (рис.2.б). Механизм работы такой же как в предыдущем, однако для фокусировки и интерференции используется еще одна пластина.
DWDM мультиплексоры, являются пассивными устройствами которые вносят большое затухание в сигнал. К примеру устройства (рис.1.а) который работает в режиме демультиплексирования составляют 4-8 дБ, при дальних переходных помехах < -20 дБ и полуширине спектра сигнала 0,05 нм.
Рисунок 2
Также ведутся эксперименты по повышению количества волн в двое с шагом 25 ГГц, и будущая технология будет называться HDWDM.
Эксплуатация частотных планов с ходом шага 50 ГГц и 25 ГГц представляет жесткие задачи к оборудованию, особенно если будет скорость модуляции более 10 Гбит/с. Теоретически зазоры между соседними волнами в 25 и 50 ГГц можно передавать данные со скоростью 10 Гбит/с, но при этом нужно учитывать и реализовать минимально возможную ширину спектра несущей волны и высокою точность частоты, а также снизить уровень шумов. Это показано на рис.3.
Рисунок 3
Транспондеры и трансиверы
Для транспортировки данных на длине волны из сетки DWDM можно применять трансиверы и транспондеры. Транспондеры в отличии от трансиверов, разрешают изменить длину волны излучения последнего устройства в длину волны DWDM для транспортировки в мультиплексор. На входы оптического мультиплексора приходят оптические сигналы, параметры которых равны параметрам стандарта G.692.
Реализация оптических усилителей
На сегодня технологии оптического усиления на основе EDFA сделали скачок вперед. Обычные волоконно-оптические системы реализуют регенераторы, повторители повышающие мощность сигнала и др. (рис.4). Когда расстояние между удаленными узлами больше чем длина затухания сигнала, то между такими узлами ставят регенераторы, которые слабый сигнал усиливают (все параметры сигнала восстанавливаются в исходные). Такие регенераторы не разрешает наращивать пропускную способность линии.
На основе EDFA потеря мощности сигнала в линии решается путем оптического усиления (4.б). В отличии от регенераторов, усиление не привязано к битовой скорости сигнала, что разрешает транспортировать данные на высоких скоростях и наращивать пропускную способность до тех пор, пока не вступят в силу другие факторы (поляризационная модовая дисперсия и хроматическая дисперсия). Усилители EDFA разрешают усиливать многоканальный WDM сигнал, добавляя еще одно измерения в пропускную ёмкость. В отличии от регенераторов оптические усилителя вносят свой шум, который нужно учитывать.
Рисунок 4
Построение сетей DWDM
Городские сети DWDM обычно создают с реализацией кольцевой архитектуры, что разрешает реализовывать средства защиты на уровне DWDM при скорости восстановления не больше 50 мс. В такой технологии DWDM минимальная дискретность сигнала — это длина волны или оптический канал. Реализация целых длин волн с объемом канала 2,5 или 10 Гбит/с для обмена трафиком между подсетями оправдывает себя при больших транспортных сетях. Уровень распределения можно реализовать и на базе SDH-каналов. При упаковке ATM/SDH/IP — сигналов в оптический канал их содержимое и структура не меняются. Системы DWDM реализуют только мониторинг отдельных байтов для контроля правильности прохождения сигналов. Соединения подсетей по инфраструктуре DWDM на отдельно взятой длине волны можно смотреть как соединение парой оптических кабелей.