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.