Облако Тэгов

Технология DWDM

Плотное спектральное уплотнение DWDM (dense wavelength-division multiplexing) — это современная технология передачи большого числа оптических каналов по одному волокну, которая лежит в основе нового поколения сетевых технологий. В настоящее время телекоммуникационная индустрия претерпевает беспрецедентные изменения, связанные с переходом от голосо-ориентированных систем к системам передачи данных, что является следствием бурного развития Internet-технологий и разнообразных сетевых приложений. С крупномасштабным развертыванием сетей передачи данных происходит модификация самой архитектуры сетей. Именно поэтому требуются фундаментальные изменения в принципах проектирования, контроля и управления сетями. В основе нового поколения сетевых технологий лежат многоволновые оптические сети, базирующиеся на плотном волновом мультиплексировании DWDM (dense wavelength-division multiplexing).

 

Описание технологии

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 100ГГц (нм), (табл.1). В тоже время большие дебаты продолжаются вокруг принятия частотного плана с еще меньшим расстоянием между каналами 50ГГц (нм). Без понимания того, какие ограничения и преимущества имеет каждый частотный план, операторы связи и организации, планирующие наращивание пропускной способности сети, могут столкнуться со значительными трудностями и излишними инвестициями.

 

DWDM spectr

Сетка 100 ГГц

В таблице справа показаны сетки частотного плана 100 ГГц с различной степенью разреженности каналов. Все сетки, кроме одной — 500/400, имеют равноудаленные каналы. Равномерное распределение каналов позволяет оптимизировать работу волновых конвертеров, перестраиваемых лазеров и других устройств полностью оптической сети, а также позволяет легче выполнять ее наращивание.

 

Реализация той или иной сетки частотного плана во многом зависит от трех основных факторов:

  • тип используемых оптических усилителей (кремниевый или фтор-цирконатный)
  • скорость передачи на канал — 2,4 Гбит/с (STM-16) или 10 Гбит/с (STM-64)
  • влияние нелинейных эффектов

Причем все эти факторы сильно взаимосвязаны между собой.

 

Стандартные EDFA на кремниевом волокне имеют один недостаток — большую вариацию коэффициента усиления в области ниже 1540 нм, что приводит к более низким значениям соотношения сигнал/шум и нелинейности усиления в этой области. Одинаково нежелательны как сильно низкие, так и сильно высокие значения коэффициента усиления. С ростом полосы пропускания минимальное допустимое по стандарту соотношение сигнал/шум возрастает. Так для канала STM-64 оно на 4-7 дБ выше, чем для STM-16. Таким образом, нелинейность коэффициента усиления кремниевого EDFA сильней ограничивает размер зоны для мультиплексных каналов STM-64 (1540-1560 нм), нежели чем для каналов STM-16 и меньшей емкости (где можно использовать практически всю зону усиления кремниевого EDFA, несмотря на нелинейность).

 

Сетка 50 ГГцDWDM canali

Более плотный, пока нестандартизированный частотный план сетки с интервалом 50 ГГц позволяет эффективней использовать зону 1540-1560 нм, в которой работают стандартные кремниевые EDFA. Наряду с этим преимуществом у данной сетки есть свои минусы.

Во-первых, с уменьшением межканальных интервалов возрастает влияние эффекта четырехволнового смешивания, что начинает ограничивать максимальную длину межрегенерационной линии (линии на основе только оптических усилителей).

Во-вторых, малое межканальное расстояние ~0,4 нм может ограничить возможность мультиплексирования каналов STM-64. Как видно из рисунка, мультиплексирование каналов STM-64 c интервалом 50 ГГц не допустимо, поскольку тогда возникает перекрытие спектров соседних каналов. Только в случае, если имеет место меньшая скорость передачи в расчете на канал (STM-4 и ниже), перекрытия спектров не возникает.

В-третьих, при интервале 50 ГГц требования к перестраиваемым лазерам, мультиплексорам и другим компонентам становятся более жесткими, что снижает число потенциальных производителей оборудования, а также ведет к увеличению его стоимости.

 

Мультиплексоры DWDM

Мультиплексорам DWDM (в отличии от более традиционных WDM) присущи две отличительные черты:

  • использование только одного окна прозрачности 1550 нм, в пределах области С-band 1530-1560 нм и L-band 1570-1600нм
  • малые расстояние между мультиплексными каналами, 0,8 нм или 0,4 нм

 

Кроме этого, поскольку мультиплексоры DWDM рассчитаны на работу с большим числом каналов до 32 и более, то наряду с устройствами DWDM, в которых мультиплексируются (демультиплексируются) одновременно все каналы, допускаются также новые устройства, не имеющие аналогов в системах WDM и работающие в режиме добавления или вывода одного и более каналов в/из основного мультиплексного потока, представленного большим числом других каналов. Так как выходные порты/полюса демультиплексора закреплены за определенными длинами волн, говорят, что такое устройство осуществляет пассивную маршрутизацию по длинам волн. Из-за малых расстояний между каналами и необходимости работы с большим числом каналов одновременно, изготовление мультиплексоров DWDM требует значительно большей прецизионности по сравнению c WDM-мультиплексорами (использующими обычно окна прозрачности 1310 нм, 1550 нм или дополнительно область длин волн в окрестности 1650 нм). Также важно обеспечить высокие характеристики по ближним (коэффициент направленности) и дальним (изоляция) переходным помехам на полюсах DWDM-устройства. Все это приводит к более высокой стоимости DWDM-устройств по сравнению WDM.

 

multiplexНа рисунке "а" показана типовая схема DWDM-мультиплексора с зеркальным отражательным элементом.

Рассмотрим его работу в режиме демультиплексирования. Приходящий мультиплексный сигнал попадает на входной порт. Затем этот сигнал проходит через волновод-пластину и распределяется по множеству волноводов, представляющих дифракционную структуру AWG (arrayed waveguide grating). По-прежнему сигнал в каждом из волноводов остается мультиплексным, а каждый канал остается представленным во всех волноводах. Далее происходит отражение сигналов от зеркальной поверхности и в итоге световые потоки вновь собираются в волноводе-пластине, где происходит их фокусировка и интерференция - образуются пространственно разнесенные интерференционные максимумы интенсивности, соответствующие разным каналам. Геометрия волновода-пластины, в частности расположение выходных полюсов, и длины волноводов структуры AWG рассчитываются таким образом, чтобы интерференционные максимумы совпадали с выходными полюсами. Мультиплексирование происходит обратным путем.

 

Другой способ построения мультиплексора базируется не на одной, а на паре волноводов-пластин, (рис.б). Принцип действия такого устройства аналогичен предыдущему случаю, за исключением того, что здесь для фокусировки и интерференции используется дополнительная пластина.

 

DWDM мультиплексоры, являясь пассивными устройствами, вносят большое затухание в сигнал. Например, потери для устройства (рис.1а), работающего в режиме демультиплексирования составляют 4-8дБ, при дальних переходных помехах <-20дБ, и полуширине спектра сигнала 0,05нм.

 

Транспондеры и трансиверы

DWDM transponder

Для передачи данных на длине волны из сетки DWDM можно использовать два типа устройств - трансиверы и транспондеры DWDM. Трансиверы DWDM обладают различными форм-факторами и могут использоваться в пассивных решениях DWDM.

В отличии от трансиверов, транспондеры позволяют преобразовать длину волны излучения оконечного устройства в длину волны DWDM для передачи в мультиплексор. На входы оптического мультиплексора поступают оптические сигналы, параметры которых соответствовуют стандартам, определённым рекомендациями G.692. Транспондер может иметь имеет разное количество оптических входов и выходов. Но если на любой вход транспондера может быть подан оптический сигнал, параметры которого определены рек. G.957, то выходные его сигналы должны по параметрам соответствовать рек. 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.

 

Применение оптических усилителей

Развитие технологии оптического усиления на основе EDFA сильно изменило методологию конструирования волоконно-оптических систем связи. Традиционные волоконно-оптические системы используют повторители-регенераторы, повышающие мощность сигнала, (рис.3а). Когда длина между удаленными узлами начинает превосходить по условиям затухания сигнала максимальную допустимую длину пролёта между соседними узлами, в промежуточных точках устанавливаются дополнительные регенераторы, которые принимают слабый сигнал, усиливают его в процессе оптоэлектронного преобразования, восстанавливают скважность, фронты и временные характеристики следования импульсов, и после преобразования в оптическую форму передают дальше правильный усиленный сигнал, в том же виде, в каком он был на выходе предыдущего регенератора. Хотя такие системы регенерации работают хорошо, они являются весьма дорогими и, будучи установленными, не могут наращивать пропускную способность линии. 

 

DWDM EDFA shemaНа основе EDFA потери мощности в линии преодолеваются путем оптического усиления, (рис.3б). В отличии 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 ёмкость.

Хотя оптический сигнал, генерируемый исходным лазерным передатчиком, имеет вполне определенную поляризацию все остальные узлы на пути следования оптического сигнала, включая оптический приёмник, 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.

В отличии от регенераторов оптические усилители вносят дополнительный шум, который необходимо учитывать. По этому наряду с коэффициентом усиления одним из важных параметров EDFA является коэффициент шума.

 

Применение устройств ROADM

DWDM ROADM

Использование перенастраиваемого оптического мультиплексора ввода/вывода (ROADM) даёт возможность гибкого развертывания и удаленного конфигурирования спектральных каналов. На любом узле сети ROADM возможно переключение состояния спектрального канала на ввод/вывод и сквозную передачу без прерывания действующих услуг. При работе с перестраиваемым лазером ROADM обеспечивает гибкое управление спектральными каналами. ROADM позволяют строить сети с несколькими кольцами или смешанные сети: на основе технологии селекторного переключения спектральных каналов (WSS). 

 

Построение сетей DWDM

общая схема DWDM

 

Городские DWDM сети, как правило, строят с использованием кольцевой архитектуры, что позволяет применять механизмы защиты на уровне DWDM при скорости восстановления не более 50мс. Возможно построение сетевой инфраструктуры на оборудовании нескольких поставщиков с дополнительным уровнем распределения на базе оборудования Metro DWDM. Этот уровень вводится для организации обмена трафиком между сетями с оборудованием разных фирм.

 

В технологии DWDM минимальная дискретность сигнала - это оптический канал или длина волны. Использование целых длин волн с ёмкостью канала 2,5 или 10Гбит/с для обмена трафиком между подсетями оправдано для построения больших транспортных сетей. Но транспондеры-мультиплексоры позволяют организовать обмен трафиком между подсетями на уровне сигналов STM-4/STM-1/GE. Уровень распределения можно строить и на базе SDH-технологии. Но DWDM имеет большое преимущество, связанное с прозрачностью каналов управления и служебных каналов (например, служебной связи). При упаковке SDH/ATM/IP-сигналов в оптический канал структура и содержимое пакетов не изменяются. Системы DWDM проводят только мониторинг отдельных байтов для контроля правильности прохождения сигналов. Поэтому соединение подсетей по инфраструктуре DWDM на отдельно взятой длине волны можно рассматривать как соединение парой оптических кабелей.

 

При использовании оборудования разных производителей, две подсети передачи данных одного производителя соединяют через DWDM-сеть другого производителя. Система управления, подсоединенная физически к одной подсети, может управлять и работой другой подсети. Если бы на уровне распределения использовалось SDH-оборудование, то это было бы невозможно. Таким образом, на базе DWDM сетей можно объединять сети разных производителей для передачи разнородного трафика.