Часто возникают вопросы, в чем отличие технологий CWDM (Coarse Wavelength Division Multiplexing) и DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing) кроме различного количества каналов. Технологии похожи в принципах организации каналов связи, ввода-вывода каналов, но имеют абсолютно разную степень технологической прецизионности, что в значительной степени сказывается на параметрах линии и стоимости решений.
Количество длин волн и каналов CWDM и DWDM
Технология спектрального уплотнения CWDM подразумевает использование 18 длин волн 1) , в то время как при точном спектральном уплотнении DWDM может быть задействовано от 40 длин волн.
Сетка частот CWDM и DWDM
Каналы в технологии CWDM разделяются по длинам волн, в DWDM - по частоте 2) . Длина волны вычисляется вторично из отношения скорости света в вакууме к частоте. Для CWDM используется сетка длин волн с шагом в 20 нм, для стандартных DWDM систем сетки частот 100 ГГц и 50 ГГц, для высокоплотных DWDM используются сетки 25 и 12,5 ГГц.
Длины волн и частоты CWDM и DWDM
В технологии CWDM используются длины волн из диапазона 1270 - 1610 нм. C учетом допусков и полосы пропускания фильтров диапазон расширяется до 1262,5 - 1617,5, что составляет 355 нм. получаем 18 длин волн.
Для DWDM с сеткой 100 ГГц несущие располагаются в диапазоне от 191.5 (1565.50 нм) ТГц до 196.1 ТГц (1528.77 нм), т.е. диапазон шириной в 4,6 ТГц или 36,73 нм. Итого 46 длин волн для 23 дуплексных каналов.
Для DWDM с сеткой 50 ГГц частоты сигналов лежат в диапазоне 192 ТГц (1561.42 нм) - 196 ТГц (1529,55 нм), что составляет 4 ТГц (31,87 нм). Здесь располагается 80 длин волн.
Возможность усиления CWDM и DWDM
Системы спектрального уплотнения на базе технологии CWDM не подразумевают усиления многокомпонентного сигнала. Связано это с отсутствием оптических усилителей, работающих в столь широком спектре.
Технология DWDM наоборот, подразумевает усиление сигналов. Многокомпонентный сигнал может усиливаться стандартными эрбиевыми усилителями (EDFA).
Дальность работы CWDM и DWDM
Системы CWDM предназначены для работы на линиях относительно небольшой протяженности, порядка 50-80 километров.
DWDM системы позволяют передавать данные на расстояния много превышающие 100 километров. Кроме того, в зависимости от типа модуляции сигнала, DWDM каналы могут работать без регенерации на расстоянии более 1000 километров.
Примечания
1) В начале 2015 года производители оптических модулей, в том числе и СКЕО, представили CWDM SFP модули с длиной волны 1625 нм. Эта длина волны не специфицирована ITU G.694.2, однако на практике нашла применение.
2) Сетки частот для CWDM описаны в стандарту ITU G.694.2, для DWDM - в стандарте G.694.1 (ревизия 2).
The technology packed wavelength division multiplexing (Dense Wave Division Multiplexing, DWDM) is designed to create a new generation of optical backbones running at multi-terabit speeds and. Information in fiber-optic communication lines passed at the same time a large number of light waves. DWDM networks operate on the principle of channel switching, each light wave is a single spectral channel and is essential information.
Opportunities of DWDM
The number of channels in a single fiber - 64 light beams in the 1550 nm window transparency. Each light wave transmits information at 40 Gb / s. hardware development is also underway with data rates at speeds of up to 100 Gbit / s and Cisco, are already in progress to develop such technology.
In DWDM technology has predecessor - wavelength division multiplexing technology (Wave Division Multiplexing, WDM), which utilizes four spectral channel transmission windows 1310 nm and 1550 nm, with a carrier spacing of 800-400 GHz. Multiplexing DWDM called "densified" due to the fact that it uses a considerably smaller distance between the wavelengths than the WDM.
Frequency plans
At present, two of the frequency plan (ie a set of frequencies that are separated from each other by a constant value) are defined recommendation G.692 Sector ITU-T:
- The frequency plan pitch (spacing between adjacent frequency channels) of 100 GHz (0.8 nm = YES), whereby the data transmission wave 41 is applied in the range of 1528.77 (196.1 THz) to 1560.61 nm (192.1 THz);
- Frequency plan in increments of 50 GHz (YES = 0.4 nm), allowing you to transfer in the same range of 81 wavelengths.
- Some companies also produced equipment, the highly-called wavelength division multiplexing equipment (High-Dense WDM, HDWDM), capable of operating with a frequency up to 25 GHz increments.
The main problem in the construction of super-dense DWDM systems is that with decreasing frequency step there is an overlapping of the spectra of adjacent channels and there is blurring of the light beam. That leads to an increase in the number of errors and the inability to transmit information on the system
Frequency plans of DWDM
In the following channel plans are currently being used for various types of DWDM systems, CWDM, HDWDM, WDM.
Frequency plans DWDM
Optical fiber amplifiers
The practical success of DWDM technology in many ways defined the appearance of a fiber-optic amplifiers. Optical devices directly amplify light signals in the 1550 nm band, eliminating the need of intermediate conversion to electrical form, as do the regenerators used in the SDH network. The disadvantage of systems of electric signal regeneration is that they have to take a certain type of coding, which makes them quite expensive. Optical amplifiers, "transparent" transmission information, allow to increase the line speed without the need to upgrade the amplifier units. Length of the section between the optical amplifiers can reach 150 km or more, which provides economical DWDM backbones generated in which multiplex section length is today 600-3000 km with use of 1 to 7, the intermediate optical amplifiers.
Recommendation ITU-T G.692 defined three types of amplifying sections, ie sections between two adjacent multiplexers, DWDM:
- L (Long) - plot consists of a maximum of 8 spans of fiber-optic communication lines and 7 of optical amplifiers, the maximum distance between the amps - up to 80 km with a maximum total length of the section of 640 km;
- V (Very long) - plot consists of a maximum of 5 spans of fiber-optic communication lines and 4 optical amplifiers, the maximum distance between the amps - up to 120 km with a maximum total length of 600 km section;
- U (Ultra long) - plot without repeaters up to 160 km
Restrictions on the amount of coasting and long associated with the degradation of the optical signal in the optical amplification. Although optical amplifier restores the signal strength, it does not fully compensate for the effect of chromatic dispersion (i.e. propagation of different wavelengths at different rates, due to which the signal at the receiving end is "smeared" fibers) and other nonlinear effects. Therefore, to build a more extensive highways need to be installed between the reinforcing portions DWDM multiplexers performing signal regeneration by converting it into electrical form and back. To reduce non-linear effects in the DWDM signal limitation also applies power systems.
Типовые топологии
Ultralong two-point connection on the basis of terminal multiplexers, DWDM
DWDM circuit with input-output in the intermediate nodes
Ring topology
The ring topology provides survivability DWDM network through redundant paths. traffic protection methods used in of DWDM, similar to the methods in SDH. To some the connection was secured, two paths are established between its endpoints: main and reserve. Multiplexer endpoint compares the two signals and selects the best signal quality.
Ring DWDM multiplexers
The mesh topology
With the development of DWDM networks are increasingly mesh topology is used, which provides the best performance in terms of flexibility, performance, and resiliency than other topologies. However, to implement a mesh topology, you must have optical cross connects (Optical Cross-Connector, PL), which not only add waves to the overall transit signal and outputting them out, as do the multiplexer input-output, but also support arbitrary switching between optical signals transmitted waves of different lengths.
Mesh DWDM
Optical multiplexers IO
Passive muliplexers used in DWDM networks (without power supply and active conversion) and active multiplexers, demultipleskory.
| Passive multiplexers | Active multiplexers |
| The number of light waves output low | The number of light waves is limited to the applicable frequency plan and a set of light waves |
| It allows you to display and input signal is a light wave without changing the overall spectrum of the light beam | It does not introduce additional attenuation because it produces a complete demultiplexing of all channels and converting into electrical form |
| Introduces additional attenuation | It has a high cost |
| It has a budget cost |
Optical cross-connects
In networks with mesh topology is necessary to provide the flexibility to change the route of the wave of connections between network subscribers. Such capabilities provide optical cross-connects, to guide the any of the waves at any output port from each input port signal (of course, provided that no other signal of this port does not use the wave must perform another broadcast wavelength).
There are optical cross-connects two types:
- Optoelectronic cross connectors with intermediate conversion to electrical form;
- all-optical cross-connects, or photonic switches.
MicroElectro Mechanical System, MEMS
Factors to be considered in the construction of DWDM systems
Chromatic dispersion
Chromatic dispersion - as a result of its influence, as it propagates through the fiber, the pulses constituting the optical signal become wider. When transmitting signals over long distances pulses can be superimposed on the adjacent, making it difficult for accurate recovery. With increasing speed of the transmission optical fiber length and chromatic dispersion effect increases. To reduce the effect of chromatic dispersion on the transmitted signals, dispersion compensators are applied.
Polarization Mode Dispersion
PMD occurs in an optical fiber due to the difference in the propagation velocities of the two mutually perpendicular polarization mode components, which leads to distortion of the transmitted pulses. The reason for this phenomenon is the heterogeneity of the geometric shape of the optical fiber. Effect of polarization mode dispersion on the transmitted optical signals with increasing rate with increasing number of channels and sealing system with increasing fiber length.
Stimulated backscatter Mandelstam - Brillouin, the essence of this phenomenon is to create an optical signal of periodic domains with varying refractive index - a kind of a virtual diffraction grating, passing through which signals propagate like the acoustic wave. Reflected this virtual grid signals are added and amplified to form a reverse optical signal with the Doppler frequency down. This phenomenon leads to an increase in the noise level and prevents the spread of the optical signal, since a large part of its power is dissipated in the reverse direction. Often mistakenly called this phenomenon reflected acoustic wave.
Phase modulation at high power levels of the laser signal modulation of its own phase of the signal can occur. This modulation extends the range and broadens or compresses the signal in time, depending on the sign of the chromatic dispersion. In dense WDM systems, self-modulation signal with an expanded spectrum signals may be superimposed on the adjacent channels. Phase modulation signal is increased with increasing power, increasing the transmission rate and with a negative chromatic dispersion. Influence of phase modulation is reduced at zero or a small positive chromatic dispersion
Cross-phase modulation, the phenomenon resulting signal modulates the phase of one channel signals from neighboring channels. Factors affecting the cross-phase modulation, coincide with the factors influencing the phase modulation. In addition, cross-phase modulation effect depends on the number of channels in the system.
Four-wave mixing, is shown at the threshold power level laser, in which case the non-linear characteristics of the fiber leads to the interaction of three waves and the fourth wave of the new appearance, which may coincide with the frequency of another channel. Such overlay frequency increases the noise level and signal reception difficult
Insertion EDFA amplifier noise, the reason for this phenomenon - the power of the amplified spontaneous emission that occurs due to the design features edfa amplifiers. In the process of passing through the amplifier to the useful component of the optical signal is added to the noise, thereby reducing the ratio of "signal / noise" as a result of the signal can be received in error. This phenomenon limits the amount of in-line amplifiers.
Плотное спектральное мультиплексирование - DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing) - позволяет одновременно передавать по одному оптическому волокну до 160 независимых информационных каналов на различных оптических несущих (длинах волн).
Частотный план для DWDM систем определяется стандартом ITU G.694.1. Согласно рекомендациям ITU в DWDM системах используются ”C” (1525…1565нм) и ”L” (1570…1610нм) окна прозрачности. В каждый диапазон попадают по 80 каналов с шагом 0.8нм (100ГГц). Обычно используется только ”C” диапазон, поскольку количество каналов, которые можно организовать в этом диапазоне итак хватает с избытком, к тому же затухание в волокне стандарта G.652 в С-диапазоне несколько ниже, чем в L-диапазоне.
DWDM системы предъявляют более высокие требования к компонентам, чем CWDM (ширина спектра источника излучения, узкополосные оптические фильтры), из-за чего стоимость DWDM-систем несколько больше, чем у CWDM-систем (стоимость 10Гбит/с оптических трансиверов практически одинакова).
Таким образом, используя только С-диапазон, можно организовать до 40 каналов по одному оптическому волокну.
Рис 2. Топология «точка-точка»
DWDM можно использовать и тогда, когда пропускной способности CWDM системы уже не хватает. В CWDM-окно 1550/1530нм попадает 16 несущих DWDM. Таким образом, появляется возможность поверх CWDM организовать от 1 до 8 DWDM каналов по одному волокну.
Рис 3. Использование DWDM в CWDM
Помимо того, что на DWDM можно организовать большее число каналов, еще одно преимущество перед CWDM заключается в том, что в C и L диапазонах возможно усиление сигнала при помощи недорогих и эффективных эрбиевых усилителей (Erbium Doped Fiber Amplifier, EDFA), тем самым можно организовать протяженные оптические линии с большой пропускной способностью без использования промежуточной электрической регенерации.
Рис 3. Организация протяженной линии с использованием EDFA и DCM
В G.652 стандарте оптического волокна в диапазоне 1550нм хроматическая дисперсия составляет 17пс/(нм*км). Это является главным ограничением для организации 10Гбит/с каналов на большие расстояния, так как с ростом скорости передачи данных дисперсия в большей степени влияет на фронт импульса. Для восстановления фронта импульсов используют компенсаторы дисперсии (Dispersion compensation module, DCM), позволяющие восстановить фронт импульсов, искаженных из-за дисперсии. При изготовлении таких устройств используется технология производства оптических волокон с отрицательным значением хроматической дисперсии.
Компания «НАГ» представляет свою линейку оборудования для DWDM-систем (оптические трансиверы SFP/XFP/X2/SFP+, мультиплексоры и OADM, усилители EDFA, компенсаторы дисперсии DCM). С помощью оборудования SNR на сегодняшний день можно организовать линию до 16*10Гбит/с каналов по одному оптическому волокну стандарта G.652 на расстояние до 200км (до 45dB) без промежуточной регенерации.
В нашем каталоге Вы можете выбрать и купить DWDM оборудование под свою задачу. Мы поможем Вам разработать и составить решение любой сложности.
Получает все большее распространение при построении и модернизации волоконно оптических линий связи большой пропускной способности. Такие системы применяют там где, пропускной способности
Наверняка все слышали о передаче информации по оптоволоконным сетям, а также о том, что этот метод обеспечивает наибольшие на сегодняшний день скорости. Именно последнее дает хороший повод к развитию технологий передачи данных по оптоволокну. Уже сегодня пропускная способность может достигать порядка терабит (1000 гигабит) в секунду.
Если сравнивать с другими способами передачи информации, то порядок величин Тбайт/с просто недостижим. Еще один плюс таких технологий - это надежность передачи. Передача по оптоволокну не имеет недостатков электрической или радиопередачи сигнала. Отсутствуют помехи, которые могут повредить сигнал, и нет необходимости лицензировать использование радиочастоты. Однако не так много людей представляют себе, как вообще происходит передача информации по оптоволокну, и тем более не знакомы с конкретными реализациями технологий. В этой статье мы рассмотрим одну из них - технологию DWDM (dense wavelength-division multiplexing).
Вначале рассмотрим, как вообще передается информация по оптоволокну. Оптоволокно - это волновод, по которому распространяются электромагнитные волны с длиной волны порядка тысячи нанометров (10-9 м). Это область инфракрасного излучения, не видимого человеческим глазом. И основная идея состоит в том, что при определенном подборе материала волокна и его диаметра возникает ситуация, когда для некоторых длин волн эта среда становится почти прозрачной и даже при попадании на границу между волокном и внешней средой большая часть энергии отражается обратно внутрь волокна. Тем самым обеспечивается прохождение излучения по волокну без особых потерь, и основная задача - принять это излучение на другом конце волокна. Конечно, за столь кратким описанием скрывается огромная и трудная работа многих людей. Не надо думать, что такой материал просто создать или что этот эффект очевиден. Наоборот, к этому нужно относиться как к большому открытию, так как сейчас это обеспечивает лучший способ передачи информации. Нужно понимать, что материал волновода - это уникальная разработка и от его свойств зависит качество передачи данных и уровень помех; изоляция волновода разработана с учетом того, чтобы выход энергии наружу был минимален. Что же касается конкретно технологии, называемой «мультиплексинг», то это означает, что вы одновременно передаете несколько длин волн. Между собой они не взаимодействуют, а при приеме или передаче информации интерференционные эффекты (наложение одной волны на другую) несущественны, так как наиболее сильно они проявляются при кратных длинах волн. Здесь же речь идет об использовании близких частот (частота обратно пропорциональна длине волны, поэтому все равно, о чем говорить). Устройство под названием «мультиплексор» - это аппарат для кодирования или декодирования информации в формат волн и обратно. После этого короткого введения перейдем уже к конкретному описанию технологии DWDM.
Основные характеристики мультиплексоров DWDM, которые отличают их от просто WDM-мультиплексоров:
- использование только одного окна прозрачности 1550 нм, в пределах области усиления EDFA 1530-1560 нм (EDFA - система оптического усиления);
- малые расстояния между мультиплексными каналами - 3,2/1,6/0,8 или 0,4 нм.
Для справки скажем, что длина волны видимого света 400-800 нм. Кроме того, поскольку само название говорит о плотной (dense) передаче каналов, то количество каналов больше, чем в обычных WDM-схемах, и достигает нескольких десятков. Из-за этого возникает потребность создать устройства, которые способны добавлять канал или извлекать его, в отличие от обычных схем, когда происходит кодирование или декодирование всех каналов сразу. С такими устройствами, работающими с одним каналом из многих, связывается понятие пассивной маршрутизации по длинам волн. Также понятно, что работа с большим числом каналов требует большей точности устройств кодирования и декодирования сигнала и предъявляет более высокие требования к качеству линии. Отсюда очевидное повышение стоимости устройств - при одновременном снижении цены за передачу единицы информации из-за того, что теперь ее можно передавать в большем объеме.
Вот как происходит работа демультиплексора с зеркалом (схема на рис. 1а). Приходящий мультиплексный сигнал попадает на входной порт. Затем этот сигнал проходит через волновод-пластину и распределяется по множеству волноводов, представляющих собой дифракционную структуру AWG (arrayed waveguide grating). По-прежнему сигнал в каждом из волноводов остается мультиплексным, а каждый канал - представленным во всех волноводах, то есть пока что произошло лишь распараллеливание. Далее происходит отражение сигналов от зеркальной поверхности, и в итоге световые потоки вновь собираются в волноводе-пластине, где происходит их фокусировка и интерференция. Это приводит к образованию интерференционной картины с пространственно разнесенными максимумами, причем обычно расчет геометрии пластины и зеркала делают так, чтобы эти максимумы совпадали с выходными полюсами. Мультиплексирование происходит обратным путем.
Другой способ построения мультиплексора базируется не на одной, а на паре волноводов-пластин (рис. 1б). Принцип действия такого устройства аналогичен предыдущему случаю, за исключением того, что здесь для фокусировки и интерференции используется дополнительная пластина.
DWDM-мультиплексоры, являясь чисто пассивными устройствами, вносят большое затухание в сигнал. Например, потери для устройства (см. рис. 1а), работающего в режиме демультиплексирования, составляют 10-12 дБ, при дальних переходных помехах менее –20 дБ и полуширине спектра сигнала 1 нм (по материалам Oki Electric Industry). Из-за больших потерь часто возникает необходимость установления оптического усилителя перед DWDM-мультиплексором и/или после него.
Самым важным параметром в технологии плотного волнового мультиплексирования, бесспорно, является расстояние между соседними каналами. Стандартизация пространственного расположения каналов нужна уже хотя бы потому, что на ее основе можно будет начинать проведение тестов 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 100 ГГц, что соответствует разнице длин волн в 0,8 нм. Еще обсуждается вопрос о передаче информации с разницей в длинах волн 0,4 нм. Казалось бы, разницу можно сделать и еще меньшей, добившись тем самым большей пропускной способности, но при этом возникают чисто технологические трудности, связанные с изготовлением лазеров, генерирующих строго монохроматический сигнал (постоянной частоты без помех), и дифракционных решеток, которые разделяют в пространстве максимумы, соответствующие различным длинам волн. При использовании разделения 100 ГГц все каналы равномерно заполняют используемый диапазон, что удобно при настройке оборудования и его переконфигурации. Выбор интервала разделения определяется необходимой пропускной способностью, типом лазера и степенью помех на линии. Однако нужно учитывать, что при работе даже в столь узком диапазоне (1530-1560 нм) влияние нелинейных помех на границах этой области весьма существенно. Этим объясняется тот факт, что с увеличением числа каналов необходимо увеличивать мощность лазера, но это, в свою очередь, приводит к снижению отношения «сигнал/шум». В результате использование более жесткого уплотнения пока не стандартизовано и находится в стадии разработки. Еще один очевидный минус увеличения плотности - уменьшение расстояния, на которое сигнал может быть передан без усиления или регенерации (чуть подробнее об этом будет сказано ниже).
Отметим, что упомянутая выше проблема нелинейности присуща системам усиления, основанным на кремнии. Сейчас разрабатываются более надежные фтор-цирконатные системы, обеспечивающие большую линейность (во всей области 1530-1560 нм) коэффициента усиления. С увеличением рабочей области EDFA становится возможным мультиплексирование 40 каналов STM-64 с интервалом 100 ГГц общей емкостью 400 ГГц в расчете на волокно (рис. 2).
В таблице приведены технические характеристики одной из мощных мультиплексных систем, использующих частотный план 100/50 ГГц, производства фирмы Ciena Corp.
Остановимся подробнее на системе оптического усиления. В чем состоит проблема? Изначально сигнал генерируется лазером и отправляется в волокно. Он распространяется по волокну, претерпевая изменения. Основным изменением, с которым нужно бороться, является рассеяние сигнала (дисперсия). Оно связано с нелинейными эффектами, возникающими при прохождении волнового пакета в среде и очевидным образом объясняется сопротивлением среды. Тем самым возникает проблема передачи на большие расстояния. Большие - в смысле сотен или даже тысяч километров. Это на 12 порядков больше длины волны, поэтому не удивительно, что даже если нелинейные эффекты малы, то в сумме на таком расстоянии с ними нужно считаться. Плюс к тому нелинейность может быть в самом лазере. Есть два способа добиться уверенной передачи сигнала. Первый - это установка регенераторов, которые будут принимать сигнал, декодировать его, генерировать новый сигнал, полностью идентичный пришедшему, и отправлять его дальше. Этот метод эффективен, но такие устройства являются весьма дорогими, и увеличение их пропускной способности или добавление новых каналов, которые они должны обрабатывать, связано с трудностями по переконфигурации системы. Второй способ - это просто оптическое усиление сигнала, полностью аналогичное усилению звука в музыкальном центре. В основе такого усиления лежит технология EDFA. Сигнал не декодируется, а лишь наращивается его амплитуда. Это позволяет избавиться от потерь скорости в узлах усиления, а также снимает проблему добавления новых каналов, так как усилитель усиливает все в заданном диапазоне.
На основе EDFA потери мощности в линии преодолеваются путем оптического усиления (рис. 3). В отличие от регенераторов такое «прозрачное» усиление не привязано к битовой скорости сигнала, что позволяет передавать информацию на более высоких скоростях и наращивать пропускную способность до тех пор, пока не вступают в силу другие ограничивающие факторы, такие как хроматическая дисперсия и поляризационная модовая дисперсия. Также усилители EDFA способны усиливать многоканальный WDM-сигнал, добавляя еще одно измерение в пропускную емкость.
Хотя оптический сигнал, генерируемый исходным лазерным передатчиком, имеет вполне определенную поляризацию, все остальные узлы на пути следования оптического сигнала, включая оптический приемник, должны проявлять слабую зависимость своих параметров от направления поляризации. В этом смысле оптические усилители EDFA, характеризуясь слабой поляризационной зависимостью коэффициента усиления, имеют ощутимое преимущество перед полупроводниковыми усилителями. На рис. 3 приведены схемы работы обоих методов.
В отличие от регенераторов оптические усилители вносят дополнительный шум, который необходимо учитывать. Поэтому, наряду с коэффициентом усиления, одним из важных параметров EDFA является коэффициент шума. Технология EDFA более дешевая, по этой причине она чаще используется в реальной практике.
Поскольку EDFA, по крайней мере по цене, выглядит привлекательнее, давайте разберем основные характеристики этой системы. Это мощность насыщения, характеризующая выходную мощность усилителя (она может достигать и даже превосходить 4 Вт); коэффициент усиления, определяемый как отношение мощностей входного и выходного сигналов; мощность усиленного спонтанного излучения определяет уровень шума, который создает сам усилитель. Здесь уместно привести пример музыкального центра, где можно проследить аналогии по всем этим параметрам. Особенно важен третий (уровень шума), и желательно, чтобы он был как можно меньшим. Используя аналогию, вы можете попробовать включить музыкальный центр, не запуская никакого диска, но при этом повернуть ручку громкости до максимума. В большинстве случаев вы услышите некоторый шум. Этот шум создается системами усиления просто потому, что на них подается питание. Аналогично в нашем случае возникает спонтанное излучение, но поскольку усилитель рассчитан на испускание волн в определенном диапазоне, то фотоны именно этого диапазона будут с большей вероятностью испускаться в линию. Тем самым будет создаваться (в нашем случае) световой шум. Это накладывает ограничение на максимальную длину линии и количество оптических усилителей в ней. Коэффициент же усиления обычно подбирается такой, чтобы восстановить изначальный уровень сигнала. На рис. 4 приведены сравнительные спектры выходного сигнала при наличии и отсутствии сигнала на входе.
Еще одним параметром, который удобно использовать при характеристике усилителя, является шум-фактор - это соотношение параметров «сигнал/шум» на входе и выходе усилителя. В идеальном усилителе такой параметр должен быть равен единице.
Для усилителей EDFA существует три способа применения: предусилители, линейные усилители и усилители мощности. Первые устанавливаются непосредственно перед приемником. Это делается для увеличения отношения «сигнал/шум», что обеспечивает возможность использования более простых приемников и может снизить цену оборудования. Линейные усилители имеют своей целью простое усиление сигнала в протяженных линиях или в случае разветвления таких линий. Усилители мощности используются для усиления выходного сигнала непосредственно после лазера. Это связано с тем, что мощность лазера тоже ограничена и иногда легче просто поставить оптический усилитель, чем устанавливать более мощный лазер. На рис. 5 схематически показаны все три способа применения EDFA.
Помимо описанного выше прямого оптического усиления, в настоящее время готовится к выходу на рынок усиливающее устройство, использующее для этих целей эффект рамановского усиления и разработанное в лабораториях Белла (Bell Labs). Суть эффекта заключается в том, что из точки приема навстречу сигналу посылается лазерный луч определенной длины волны, который раскачивает кристаллическую решетку волновода таким образом, что она начинает излучать фотоны в широком спектре частот. Тем самым общий уровень полезного сигнала поднимается, что позволяет несколько увеличить максимальное расстояние. Сегодня это расстояние составляет 160-180 км, по сравнению с 70-80 км без рамановского усиления. Эти устройства производства Lucent Technologies появятся на рынке в начале 2001 года.
То, о чем было рассказано выше, является технологией. Теперь несколько слов о реализациях, которые уже существуют и активно используются на практике. Во-первых, отметим, что применение оптоволоконных сетей - это не только Интернет и, может быть, не столько Интернет. По оптоволоконным сетям можно передавать голос и телеканалы. Во-вторых, скажем, что существует несколько разных типов сетей. Нас интересуют магистральные сети дальней связи, а также локализованные сети, например внутри одного города (так называемые метрополитен-решения). При этом для магистральных каналов связи, где отлично работает правило «чем толще труба, тем лучше», технология DWDM является оптимальным и обоснованным решением. Другая ситуация складывается в городских сетях, в которых запросы по передаче трафика не столь велики, как у магистральных каналов. Здесь операторы используют старый добрый транспорт на основе SDH/SONET, работающий в диапазоне длин волн 1310 нм. В этом случае для решения проблемы недостаточной пропускной способности, которая, кстати, для городских сетей пока стоит не очень остро, можно использовать новую технологию SWDM, которая является своеобразным компромиссом между SDH/SONET и DWDM (подробнее о технологии SWDM читайте на нашем CD-ROM). В соответствии с этой технологией одни и те же узлы волоконно-оптического кольца поддерживают и одноканальную передачу данных на длине волны 1310 нм, и спектральное уплотнение в диапазоне 1550 нм. Экономия достигается за счет «включения» дополнительной длины волны, для чего требуется добавить модуль в соответствующее устройство.
DWDM и трафик
Одним из важных моментов при использовании технологии DWDM является передающийся трафик. Дело в том, что большинство оборудования, существующего в настоящее время, поддерживает передачу только одного типа трафика на одной длине волны. В результате нередко возникает ситуация, когда трафик не до конца заполняет оптоволокно. Таким образом по каналу с формальной пропускной способностью, эквивалентной, например, STM-16, передается менее «плотный» трафик.
В настоящее время появляется оборудование, реализующее полную загрузку длин волн. При этом одна длина волны может быть «наполнена» разнородным трафиком, скажем, TDM, ATM, IP. В качестве примера можно привести оборудование семейства Chromatis производства Lucent Technologies, которое может передавать на одной длине волны все типы трафика, поддерживаемые интерфейсами ввода/вывода. Это достигается за счет встроенных кросс-коммутатора TDM и коммутатора АТМ. Причем дополнительный коммутатор АТМ не является ценообразующим. Другими словами, дополнительная функциональность оборудования достигается практически при той же стоимости. Это позволяет прогнозировать, что будущее - за универсальными устройствами, способными передавать любой трафик с оптимальным использованием полосы пропускания.
DWDM завтра
Плавно перейдя к тенденциям развития этой технологии, мы наверняка не откроем Америки, если скажем, что DWDM является наиболее перспективной оптической технологией передачи данных. Это можно связывать в большей мере с бурным ростом Интернет-трафика, показатели роста которого приближаются к тысячам процентов. Основными же отправными точками в развитии станут увеличение максимальной длины передачи без оптического усиления сигнала и реализация большего числа каналов (длин волн) в одном волокне. Сегодняшние системы обеспечивают передачу 40 длин волн, что соответствует 100-гигагерцевой сетке частот. На очереди к выходу на рынок устройства с 50-гигагерцевой сеткой, поддерживающие до 80 каналов, что соответствует передаче терабитных потоков по одному волокну. И уже сегодня можно услышать заявления лабораторий фирм-разработчиков, таких как Lucent Technologies или Nortel Networks, о скором создании 25-гигагерцевых систем.
Однако, несмотря на столь бурное развитие инженерной и исследовательской мысли, рыночные показатели вносят свои коррективы. Прошедший год ознаменовался серьезным падением оптического рынка, что подтверждается существенным падением курса акций Nortel Networks (29% за один день торгов) после объявления ею о трудностях со сбытом своей продукции. В аналогичной ситуации оказались и другие производители.
В то же время, если на западных рынках наблюдается некоторое насыщение, то восточные только начинают разворачиваться. Наиболее ярким примером служит рынок Китая, где десяток операторов национального масштаба наперегонки строят магистральные сети. И если «у них» вопросы построения магистральных сетей уже практически решены, то в нашей стране, как это ни печально, пока просто нет необходимости в толстых каналах для передачи собственного трафика. Тем не менее прошедшая в начале декабря выставка «Ведомственные и корпоративные сети связи» выявила огромный интерес отечественных связистов к новым технологиями, и к DWDM в том числе. И если такие монстры, как «Транстелеком» или «Ростелеком», уже имеют транспортные сети масштаба государства, то нынешние энергетики только начинают их строить. Так что, несмотря на все неурядицы, за оптикой - будущее. И немалую роль здесь сыграет DWDM.
КомпьютерПресс 1"2001
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.
