Технологии xWDM
Технологии волнового мультиплексирования WDM и плотного волнового мультиплексирования DWDM - это сравнительно новые сетевые технологии для транспортных магистральных сетей, основанные на спектральном уплотнении оптического излучения по длине волны.
В настоящее время технология DWDM является основой построения оптических сетей и играет для систем СЦИ/SDH роль аналогичную той, что и мультиплексирование с частотным разделением каналов для аналоговых систем передачи, хотя механизмы мультиплексирования в них различные.
Так как оптика уже встроена во многие сетевые устройства (коммутаторы маршрутизаторы IР аппаратуру GE, MBB/ADM, DWDM) применение технологии DWDM позволяет напрямую сопрягать интерфейсы ATM, GE или IP с физическими интерфейсами оптической среды передачи (оптическим волокном). На рисунке приведена инфраструктура оптических сетей, где показаны варианты типичной архитектуры современных сетей.
Основы технологии WDM/DWDM. Обшие сведения
Аппаратура WDM/DWDM широко применяется на сетях операторов дальней связи. Выпускаемая аппаратура WDM/DWDM позволяет объединять в одном оптическом волокне до 40 и более оптических канатов, а некоторые промышленные системы DWDM позволяют объединять до 128-160 каналов.
Технологии DWDM, в отличие от WDM (в которой обычно используются окна прозрачности 1310 и 1550 нм или дополнительно область длин волн в окрестности 1650 нм) присущи две важные особенности:
- использование только одного окна прозрачности 1550 нм в пределах области длин волн (1530...1560 нм) усиления оптических волокон, легированных эрбием;
- малые интервалы по длине волны Δλ между мультиплексируемыми каналами, обычно равные 3,2/1,6/0,8 или 0,4 нм.
Мультиплексоры DWDM рассчитаны на работу с большим числом каналов (до 32 и более) со строго определенными длинами волн и обеспечивают возможность мультиплексирования (демультиплексирования) одновременно как всех каналов, так и для ввода-вывода одного или нескольких каналов из общего оптического потока с большим числом каналов. Выходные оптические интерфейсы (порты) демультиплексора DWDM закреплены за определенными длинами волн, поэтому говорят, что такое устройство осуществляет пассивную маршрутизацию по длинам волн. Из-за малой разницы в длине волн каналов и необходимости работы с большим числом каналов одновременно, мультиплексоры DWDM требуют существенно большей прецизионности в изготовлении по сравнению с мультиплексорами WDM. Все это приводит к более высокой стоимости аппаратуры DWDM по сравнению WDM.
Модель частотного плана WDM
Современные xWDM-системы на основе стандартного частотного плана (ITU-T Rec. G.692) разделены на три группы:
Частотный план для CWDM систем определяется стандартом ITU G.694.2. Область применения технологии CWDM — городские сети с расстоянием до 50 км. Достоинством этого вида WDM систем является низкая (по сравнению с остальными типами) стоимость оборудования вследствие меньших требований к компонентам.
Частотный план для DWDM систем определяется стандартом ITU G.694.1. Область применения — магистральные сети. Этот вид WDM систем предъявляет более высокие требования к компонентам, чем CWDM (ширина спектра источника излучения, температурная стабилизация источника и т. д.).
Толчок к бурному развитию DWDM сетей дало появление недорогих и эффективных волоконных эрбиевых усилителей (EDFA), работающих в промежутке от 1525 до 1565 нм (третье окно прозрачности кварцевого волокна).
На следующем рисунке показан частотный план DWDM с шагом 100 ГГц, а в внутри плана частот CWDM рассмотрены восемь основных каналов в диапазоне 1470-1610 нм. В верхней части рисунка показан план DWDM с шагом 0,8 нм (полоса С) и пересекающаяся область, в нижней - план CWDM с шагом 20 нм, а на нем позиции полос С и L плана DWDM. В каждой из полос С и L можно разместить по 41 стандартному каналу с шагом 100 ГГц.
Полоса С содержит длины волн в диапазоне 1528,77-1560,61 нм, а полоса L - 1566,31-1612,65 нм. В них попадают следующие несущие CWDM: 1530,1550,1570,1590 и 1610 нм. С другой стороны, в полосе пропускания фильтра одной из несущих CWDM может разместиться восемь несущих DWDM полосы С.
Пространственное разделение каналов и стандартизация DWDM.
Основным параметром в технологии DWDM является интервал в длинах волн оптического излучения соседних каналов. Стандартизация пространственного распределения оптических каналов является основой для возможности тестирования на взаимную совместимость оборудования разных производителей. В Рек. G.692 ITU-T определен частотный план систем DWDM с разнесением частот между соседними каналами 100 ГГц, что соответствует интервалу по длине волны Δλ≈0,8 нм (табл. 1). Продолжает обсуждаться возможность принятия частотного плана с еще меньшим частотным интервалом 50 ГГц (Δλ≈0,4 нм).
Более плотная, пока еще не стандартизированная сетка частотного плана, с интервалом в 50 ГГц позволяет эффективнее использовать спектральный диапазон длин волн 1540...1560 нм. в котором работают стандартные оптические усилители EDFA. Однако, во-первых, с уменьшением межканальных интервалов растет влияние эффекта четырехволнового смешения в волокне оптического усилителя, что ограничивает максимальную длину регенерационнго участка линии. Во вторых, при уменьшении межканального интервала по длине волны до значения примерно 0,4 нм начинают проявляться ограничения по мультиплексированию каналов более высокого уровня, например, STM-64 (рис. ниже). Видно, что мультиплексирование каналов уровня STM-64, имеющих частотный интервал 50 ГГц, не допустимо из-за перекрытия спектров соседних каналов. Кроме того, частотный интервал в 50 ГГц накладывает более жесткие требования к перестраиваемым лазерам, мультиплексорам и другим компонентам аппаратуры систем DWDM, что ведет к увеличению ее стоимости.
Спектральное размещение каналов разного уровня в оптическом волокне.
Приведем классификацию систем WDM на основе канального плана. Системы WDM в настоящее время разделяют по числу каналов и шагу частотного плана на три типа:
- обычные WDM,
- плотные WDM (DWDM),
- высокоплотные WDM - HDWDM (High Dense Wawelength Division Multiplexing).
Несмотря на то, что до настоящего времени отсутствует стандарт по классификации систем WDM, вслед за компанией Alcatel и ECI Telecom в соответствии с канальным или частотным планом можно классифицировать системы WDM следующим образом:
Система | Частотный план, ГГц не более | Число каналов |
WDM | 200 | ≤16 |
DWDM | 100 | ≤64 |
HDWDM | 50 | >64 |
В этой классификации число каналов для каждого класса систем WDM достаточно условно, но частотный интервал между каналами имеет существенное значение.
Проблемы и перспективы использования WDM
Здесь рассмотрены только общие вопросы технологии WDM. Ее прогресс поддерживается, с одной стороны, новыми усовершенствованиями в области создания стабильных (фиксированных и быстродействующих перестраиваемых) лазерных источников излучения, оптических фильтров(как широкополосных -для CWDM, так и узкополосных -для DWDM и HDWDM) и новых типов ОУ, а с другой стороны, разработкой набора интерфейсных карт, упростивших реализацию транспортных возможностей WDM (в частности, для передачи Ethernet и IP-трафика).
Проблемы
Проблемы реализации систем WDM связаны с преодолением воздействия трех факторов:
Влияние первого фактораснижается за счет использования волокна с ненулевой смещенной дисперсией (NZDSF), неравномерного распределения частот несущих, а также за счет использования схем интерливинга.
Влияние второго фактора (который имеет разную природу на передающем и приемном концах) может быть снижено разными способами: увеличением шага несущих (действует на обоих концах), использованием внешнего модулятора (уменьшающего уширение несущей), применением солитонной технологии или техники модуляции с подавлением одной боковой полосы (ОБП). Все три метода действуют на передающем конце. Кроме того, можно применить процедуру интерливинга, при которой плотный набор из n несущих длин волн (с шагом s) разделяется на приемном конце на два или четыре (каскадно 2x2) набора по n/2 (с шагом 2s) или n/4 (с шагом 4s) несущих.
Влияние третьего фактора обусловлено тем, что максимальная мощность каждой оптической несущей PC max (в дБм) зависит от полной оптической мощности, подаваемой с выхода транспондера на вход волокна Ptotal (оптическая мощность в дБм на выходе агрегатного канала WDM) и числа мультиплексированных длин волн п. Согласно стандарту,
P c max = Ptotal - 10lgn.
Мощность Ptotal ограничена безопасным уровнем излучения лазера (или допустимым уровнем суммарных нелинейных искажений в сердцевине волокна) и составляет для разных производителей оборудования WDM величину от 17 до 30 дБм.
По табл. 2 можно оценить, как меняется эта мощность в расчете на 1 несущую для разного числа несущих в системе WDM при равномерном распределении.
ТАБЛИЦА 2. Максимальная мощность на одну несущую WDM, дБм
Число несущих, n | 2 | 4 | 8 | 16 | 32 | 64 | 128 | 256 |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Ptotal=17 дБм | 14 | 11 | 8 | 5 | 2 | -1 | -4 | -7 |
Ptotal=30 дБм | 27 | 24 | 21 | 18 | 15 | 12 | 9 | 6 |
Из табл. 2 видно, что при большом числе несущих падение мощности может составить (против исходного уровня для двух несущих) 21 дБ. В результате не использования WDM исключается возникновение проблемы обеспечения нужного уровня BER в оптическом канале. Единственный способ борьбы с этим - увеличение эффективной площади сечения волокна, то есть использование специально разработанных волокон, например LEAF, Siecor, брэгговских волокон или волокон на основе фотонных кристаллов.
Перспективы
Перспективы развития WDM связаны с тремя факторами: технологическим, сетевым и экономическим.
Технологический фактор определяется развитием элементов систем WDM, что позволит:
Сетевой фактор определяется развитостью структуры сетей WDM. Это значит, что нельзя в полной мере воспользоваться одним из самых главных преимуществ систем WDM - возможностью маршрутизации потокового трафика по длине волны λ, не говоря уже о другой, еще не реализованной возможности маршрутизации оптического пакетного трафика. Также пока нельзя использовать технологию MPλS.
Экономический фактор определяется высокой стоимостью систем WDM даже для топологии "точка -точка". Так, по оценкам одной из компаний - производителей оборудования WDM, секция системы (на основе STM-16/64) на 16 длин волн протяженностью 450-500 км с тремя промежуточными мультиплексорами, не обладающими возможностью оптического ввода-вывода, стоит примерно 1,5-2 млн дол. Эта стоимость может оцениваться как в абсолютной мере (цена за устройство или систему), так и в относительной (цена за бит переданной информации в расчете на километр). Относительная стоимость снижается довольно успешно как за счет увеличения числа бит (увеличение скорости передачи на одну несущую), так и за счет увеличения длины пролета/секции. Снижение же стоимости в абсолютном исчислении происходит пока за счет перехода от систем DWDM к системам CWDM благодаря более дешевым системам мультиплексирования/демультиплексирования на основе пассивных фильтров и комбайнов/разветвителей.