Что называется уплотненным волновым мультиплексированием dense wave division multiplexing dwdm

Обновлено: 18.05.2024

Рисунок 1 иллюстрирует процесс DWDM. На вход DWDM каждый кадр STM синхронной цифровой иерархии SDH назначается для модуляции отдельному лазеру. Каждый лазер излучает сигнал на своей отличной от других длине волны λ (лямбда) в определенном диапазоне. В результате мультиплексирования выходные сигналы лазеров объединяются в одном оптическом волокне.

Рис. 1 Процесс мультиплексирования DWDM

В системах DWDM может быть задействовано до 160 каналов на одном оптическом волокне, что обеспечивает скорости передачи данных для одного волокна до нескольких терабит в секунду. На рис. 2 показаны компоненты участка системы DWDM.

Рис. 2 Участок системы DWDM

На каждом конце участка находится терминальный мультиплексор системы DWDM. Этот мультиплексор обеспечивает распределение кадров синхронной цифровой иерархии SDH (или синхронной оптической сети SONET) по определенным длинам световых волн (λ), используемым для транспортировки. В тракт между терминальными мультиплексорами могут включаться оптические мультиплексоры ввода/вывода OADM (Optical Add/Drop Multiplexer). OADM поддерживает функции ввода/вывода на различных длинах волн. Вдоль участка на расстоянии порядка 150 км расположены оптические усилители. Хотя оптический усилитель восстанавливает мощность сигнала, он не полностью компенсирует (например, из-за распространения волн разной длины с разной скоростью). Поэтому для построения более протяженных участков DWDM между определенным количеством участков с оптическими усилителями (до семи) устанавливаются мультиплексоры DWDM, выполняющие регенерацию сигнала путем её преобразования в электрическую форму и обратно. Технология DWDM в отличие от использования оптических волокон в SDH и Gigabit Ethernet (где световые сигналы всегда преобразуются в электрические перед мультиплексированием и коммутированием) между оптическими усилителями эти операции выполняются также над световыми сигналами.

Рост сетевого трафика вызывает постоянное увеличение спроса на пропускную способность технологии уплотненного волнового мультиплексирования DWDM (Dense Wave Division Multiplexing). DWDM работают на оптических магистралях на терабитных скоростях. По прогнозам к 2020 году скорость передачи по одному волокну в опорных сетях наиболее развитых стран приблизится к 20 Тбит/с.

Сегодня системы такого класса востребованы ОАО «Ростелеком» и другими крупными операторами. Оборудование по данным разработчиков обладает запасом по дальности передачи до 5-6 тысяч км. Показана передача по каналу 100 Гбит/с на 400км без промежуточных усилителей.

В настоящей разработке для десятикратного повышения канальной скорости (с 10 до 100 Гбит/с) и общей емкости системы (с 0,8 до 8 Тбит/с) использовался формат DP-QPSK. В этом формате каждая из двух ортогональных поляризаций (DP) используется для передачи независимых потоков информации. В каждом из этих двух потоков информация передается с использованием 4-уровневой фазовой модуляции (QPSK). В результате скорость увеличивается в 4 раза (передается 4 бита на символ). В работе [22] отмечается, что увеличение канальной емкости позволяет уменьшить число каналов, а это упрощает управление сетью.

Оптические кросс-коннекторы

Существуют оптические кросс-коннекторы двух типов:

оптоэлектронные кросс-коннекторы с промежуточным преобразованием в электрическую форму;
полностью оптические кросс-коннекторы, или фотонные коммутаторы.

Микроэлектронные механические системы (MicroElectro Mechanical System, MEMS)

Частотные планы

На сегодня рекомендацией G.692 сектора ITU-T определены два частотных плана (то есть набора частот, отстоящих друг от друга на некоторую постоянную величину):

Частотный план с шагом (разнесением частот между соседними каналами) 100 ГГц (ДА = 0,8 нм), в соответствии с которым для передачи данных применяется 41 волна в диапазоне от 1528,77 (196,1 ТГц) до 1560,61 нм (192,1 ТГц);
Частотный план с шагом 50 ГГц (ДА = 0,4 нм), позволяющий передавать в этом же диапазоне 81 длину волны.
Некоторыми компаниями выпускается также оборудование, называемое оборудованием высокоуплотненного волнового мультиплексирования (High-Dense WDM, HDWDM), способное работать с частотным планом с шагом 25 ГГц .

Главное проблемой при построении сверхплотных систем DWDM является то, что с уменьшением шага частот происходит перекрытие спектров соседних каналов и происходит размытие светового пучка. Что ведёт к увеличению числа ошибок и невозможности передачи информации по систем

В настоящее время используются следующие частотные планы для различных разновидностей систем DWDM, CWDM, HDWDM, WDM.

Описание технологии CWDM

В технологии CWDM (Coarse Wavelength Division Multiplexing) используется 18 длин волн из диапазона 1270-1610 нм с шагом 20 нм, что позволяет организовать 9 дуплексных каналов связи с любой скоростью передачи данных. Каждый из этих 9 каналов может быть организован по любому из существующих протоколов передачи данных, будь то Fibre Channel, STM или Ethernet. Более того, значения не имеет и природа сигнала: в одном волокне прекрасно «уживаются» аналоговый телевизионный сигнал и цифровые протоколы передачи данных.

При спектральном уплотнении CWDM сигналы на различных длинах волн вводятся в магистральное одно волокно с применением специального пассивного устройства – оптического мультиплексора. Для разделения сигналов на обратной стороне линии используется оптический демультиплексор – он разделяет сигналы и выводит различные длины волн на различные выходы.

Технология CWDM продлевает время «жизни» существующих волоконно-оптических сетей путем использования сетки частот, не используемых традиционными приемопередатчиками. Технология инвариантна к протоколам передачи информации, что позволяет организовать различные телекоммуникационные услуги в одной транспортной среде. Увеличение частотного расстояния между каналами приводит к заметному снижению стоимости активных и пассивных компонентов по сравнению с технологией DWDM – Dense Wavelength Division Multiplexing (плотное спектральное мультиплексирование с расстоянием между каналами 0,8 нм). Кроме того, грубое спектральное мультиплексирование обеспечивает гибкость системы передачи информации и возможность реализации различных топологий.

До недавнего времени (до появления 10G CWDM трансиверов) у технологии CWDM был один недостаток по сравнению с более дорогостоящей DWDM технологией — возможность организации 10Г канала связи. Но решение не заставило себя долго ждать — мы стали использовать и внедрять у наших заказчиков гибридные CWDM+DWDM системы.

Диапазоны DWDM и CWDM пересекаются, поэтому ничего не мешает использовать совпадающие по длинам волн DWDM трансиверы (в частности 10G) в CWDM системах.

Рис. 3 Использование 10G DWDM трансиверов для получения 10G канала по 1 волокну с помощью CWDM системы.

Технология CWDM получила большое распространение при построении и модернизации волоконно оптических сетей связи. Внедрение таких систем позволяет решать проблемы нехватки пропускной способности и повышения надежности сети при минимальных капитальных затратах на ее построение. В нашем магазине Вы можете купить CWDM оборудование SNR: CWDM мультиплексоры(mux/demux), CWDM OADM(add/drop модули), CWDM оптические трансиверы (CWDM SFP, GBIC, XFP, SFP+ и X2 модули). CWDM SFP и другие модули совместимы с оборудованием таких производителей, как Cisco, HP, Juniper, Huawei, Dlink.

Оборудование CWDM

CWDM системы являются частью сети оператора связи и устанавливаются между двумя или более узлами связи. Для того, что бы обеспечить работу CWDM системы на узле связи необходимо наличие активных сетевых устройств с достаточным суммарным количеством портов для установки CWDM SFP трансиверов. Такими сетевыми устройствами обычно являются коммутаторы и маршрутизаторы. В случае недостаточного количества активных сетевых устройств с необходимым суммарным количеством SFP портов возможно использование медиаконверторов со слотами под CWDM SFP трансиверы. Такое решение в ряде случаев так же является более экономически выгодным.

Основными элементами CWDM систем являются:

· CWDM мультиплексоры/демультиплексоры (MUX/DEMUX); позволяют суммировать и разделять оптические сигналы.

· OADM модули - CWDM мультиплексоры ввода/вывода; позволяют выделить и добавить в волокно сигнал по определенным несущим.

· SFP CWDM модули (SFP трансиверы), формируют и принимают оптические сигналы (длины волн) в CWDM системе; переводят сигнал из электрического (активное оборудование) в оптический и обратно.

CWDM SFP трансиверы

SFP - Small Form Factor Pluggable является общепризнанным индустриальным форматом производства сменных трансиверов. Трансиверы SFP широко используются в активном сетевом оборудовании: маршрутизаторах, коммутаторах, медиаконверторах. Лазеры с распределенной обратной связью (DFB, Distributed Feedback), в случае использования в CWDM-системах, не требуют термической стабилизации, громоздких и сложных схем управления, являются малогабаритными, экономичными и имеют малую стоимость. Типичный DFB-лазер имеет температурную стабильность, что дает изменение генерируемой длины волны в пределах 6–8 нм в диапазоне температур 0–70°С.

CWDM SFP трансиверы предназначены для формирования оптических CWDM сигналов «основной несущей» с 1270 по 1610нм (шаг 20нм). Каждый SFP CWDM трансивер работает по двум волокнам и, в отличие от стандартных двухволоконных трансиверов 1000Base LX на двух разных длинах волн – приемник по одной длине волны и передатчик по другой. Для образования канала данных в системе CWDM SFP трансиверы комплектуются «попарно» - Type I и Type II.

В силу того, что CWDM системы являются пассивными, осуществление мониторинга состояния CWDM оборудования и всей трассы в целом в режиме реального времени представляется затруднительным. Для мониторинга в режиме реального времени (on-line мониторинга) используются CWDM SFP трансиверы с функцией DDM (Digital Diagnostic Monitoring). Функция DDM позволяет в режиме реального времени контролировать параметры, которые имеет SFP трансивер: мощность входящего сигнала (RX), мощность исходящего сигнала (TX), температурные параметры работы трансивера. Изменения данных параметров позволяют судить об износе CWDM системы и состоянии трассы в целом. Функция DDM также используется при оценке оптического бюджета CWDM решения. Сравнение данных SFP трансиверов позволяет определить реальные потери по несущим в волокне. SFP трансивер так же отличаeтся по дальности своей работы (мощности сигнала). CWDM SFP трансивер имеет стандартный километраж 10 км, 20 км, 40 км или 80 км. Стандартный тип разъема для коннектора на SFP трансивере – LC.

Оптические мультиплексоры

Рис. 4 Оптический мультиплексор

Конфигурация CWDM мультиплексора/демультиплексора (Mux/Demux) определяется характеристиками:

· Двухволоконный мультиплексор (2 fiber).

· Одноволоконный мультиплексор (1 fiber (single fiber) или bidirectional).

· мультиплексор с двумя «общими» (COMMON) выводами для реализации «кольцевой» топологии.

· Для топологий «Точка-Точка» или «Кольцо» необходима «попарная» (порты Tx–Rx) комплектация мультиплексоров – Mux/Demux Type I , Mux/Demux Type II.

OADM модули

Модули Ввода/Вывода (Add/Drop (OADM) CWDM выделяют определенные длины волн из CWDM потока (оптической линии).

· Ввод/вывод одного CWDM канала (две несущие, частотная сетка совпадает с частотной сеткой SFP CWDM модулей).

· Низкие вносимые потери для транзитных CWDM каналов.

· Выделенная длина волны конечному пользователю.

Принципиально выделяются OADM модули одноканальные и двухканальные. Их отличие заключается в способности принимать и получать оптический сигнал от одного или двух мультиплексоров и физически обусловлено наличием одного или двух приемо-передающих блоков. Соответственно одноканальный OADM модуль имеет один приемо-передающий блок и способен работать только с одним мультиплексором в «одну сторону». Двухканальный OADM модуль имеет два приемо-передающих блока и способен работать «в две стороны» с двумя мультиплексорами / демультиплесорами.

Рис. 5 Виды OADM

Приемо-передающий блок одноканального OADM модуля имеет четыре интерфейса:

· Com порт – получает сигнал со стороны мультиплексора

· Express порт – пропускает сигнал на другие элементы CWDM системы

· Add порт – добавляет в линию канал на определенной длине волны CWDM,

· Drop порт – извлекает из линии канал на определенной длине волны CWDM.

Ограничений по протоколам или ширине полосы такие устройства не имеют. Соответственно двухканальный OADM модуль обладает двумя дополнительными портами Add и Drop. В случае использования двухволоконной системы так же добавляются порты Com2 и Express2. Одноканальный OADM модуль работает в паре с 1 CWDM SFP трансивером, двухканальный OADM – с двумя (Type I и Type II).

Типы топологий CWDM

CWDM cистемы с подобной топологией используют в решении задач одновременной передачи большого числа потоков данных для увеличения количества предоставляемых сервисов (видео, голос и т.д.). При этом используются волокна уже существующей оптической транспортной сети. Информация передается по каналам между двумя точками. Для успешной передачи данных на расстояние до 50-80 км необходимы мультиплексоры/демультиплексоры в тех узлах, где будет происходить объединение информационных потоков и последующее их разъединение.

Рис. 6 Топология "точка-точка"

Соединение с ответвлениями

Такая архитектура реализует передачу информации от одного узла к другому с промежуточными узлами на этом пути, где возможен ввод и отвод отдельных каналов с применением модулей OADM. Максимальное количество ответвлений определяется количеством дуплексных каналов передачи (например, 4 или 8) и оптическим бюджетом линии. При расчетах нужно помнить о том, что каждый OADM модуль вносит затухание, в результате чего общая протяженность тракта соответственно снижается. Оптический канал можно извлечь любой точке тракта.

Возможны два варианта реализации архитектуры «Соединение с ответвлениями»:

· Расширенный вариант архитектуры «Точка-Точка». В данном случае между двумя мультиплексорами/демультиплексорами Type I и Type II соответственно устанавливаются OADM модули (двухканальные). При заказе такого решения так же необходимо помнить, что в каждый двухканальный OADM модуль необходимо укомплектовывать двумя SFP трансиверами Type I и Type II.

· Архитектура «Точка с ответвлениями». Принципиальное отличие от первого варианта – отсутствие второго мультиплексора/демультиплексора. Таким образом, обмен сигналами происходит между центральным узлом связи и конечным оборудованием на разных участках линии. Такая архитектура представляется перспективной с экономической точки зрения, т.к. фактически позволяет исключить из сети коммутатор уровня агрегации при значительной экономии в волокне. При этом расстояние от OADM модуля (одноканального) до места размещения конечного оборудования (коммутатор, муршрутизатор, медиаконвертор) ограничено лишь мощностью сигнала в линии и вносимыми потерями от оборудования CWDM. При выборе оборудования следует обратить внимание, что каждый OADM модуль (одноканальный) комплектуется одним SFP трансивером.

Общие принципы технологии DWDM

Технология уплотненного волнового мультиплексирования (Dense Wave Division Multiplexing, DWDM) предназначена для создания оптических магистралей нового поколения, работающих на мультигигабитных и терабитных скоростях. Информация в оптическом волокне передается одновременно большим количеством световых волн лямбд — термин возник в связи с традиционным для физики обозначением длины волны λ.

Сети DWDM работают по принципу коммутации каналов, при этом каждая световая волна представляет собой отдельный спектральный канали несет собственную информацию.

Его основными функциями являются операции мультиплексирования и демультиплексирования, а именно — объединение различных волн в одном световом пучке и выделение информации каждого спектрального канала из общего сигнала. Наиболее развитые устройства DWDM могут также коммутировать волны.

Первым применением технологии DWDM были протяженные магистрали, предназначенные для связи двух сетей SDH. При такой простейшей двухточечной топологии способность устройств DWDM выполнять коммутацию волн является излишней, однако по мере развития технологии и усложнения топологии сетей DWDM эта функция становится востребованной.

Сегодня оборудование DWDM позволяет передавать по одному оптическому волокну 32 и более волн разной длины в окне прозрачности 1550 нм, при этом каждая волна может переносить информацию со скоростью до 10 Гбит/с (при применении протоколов технологий STM или 10 Gigabit Ethernet для передачи информации на каждой волне). В настоящее время ведутся работы по повышению скорости передачи информации на одной длине волны до 40-80 Гбит/с.

У технологии DWDM имеется предшественница — технология волнового мультиплексирования (Wave Division Multiplexing, WDM), которая использует четыре спектральных канала в окнах прозрачности 1310 нм и 1550 нм с разносом несущих в 800-400 ГГц.

Мультиплексирование DWDM называется «уплотненным» из-за того, что в нем используется существенно меньшее расстояние между длинами волн, чем в WDM.

Нa сегодня рекомендацией G.692 сектора ITU-T определены два частотных плана:

· частотный план с разнесением частот между соседними каналами 100 ГГц, в соответствии с которым для передачи данных применяется 41 волна в диапазоне от 1528,77 (196,1 ТГц) до 1560,61 нм (192,1 ТГц);

· частотный план с шагом 50 ГГц, позволяющий передавать в этом же диапазоне 81 длину волны.

Реализация частотных планов с шагом 50 ГГц и 25 ГГц предъявляет гораздо более жесткие требования к оборудованию DWDM, особенно в том случае, если каждая волна переносит сигналы со скоростью модуляции 10 Гбит/с и выше (STM-64, 10GE или STM-256). Теоретически зазоры между соседними волнами в 50 ГГц и даже 25 ГГц позволяют передавать данные со скоростями 10 Гбит/с, но при этом нужно обеспечить высокую точность частоты и минимально возможную ширину спектра несущей волны, а также снизить уровень шумов, чтобы минимизировать эффект перекрытия спектра.

STM-64 при интервале 100 ГГц STM-64 при интервале 50 ГГц

STM-16 при интервале 50 ГГц

STM-16 при интервале 100 ГГц

Перекрытие спектра соседних волн для разных частотных планов и скоростей передачи данных.

DWDM Технология

Технология уплотненного волнового мультиплексирования (Dense Wave Division Multiplexing, DWDM ) предназначена для создания оптических магистралей нового поколения, работающих на мультигигабитных и терабитных скоростях. Информация в волоконно-оптических линиях связи передаётся одновременно большим количеством световых волн. Сети DWDM работают по принципу коммутации каналов, при этом каждая световая волна представляет собой отдельный спектральный канал и несет собственную информацию.

Факторы, учитываемые при построении систем DWDM

Хроматическая дисперсия - в результате ее влияния, по мере распространения по волокну, импульсы, составляющие оптический сигнал, становятся шире. При передаче сигналов на большие расстояния импульсы могут накладываться на соседние, затрудняя точное их восстановление. С увеличением скорости передачи и длины оптического волокна влияние хроматической дисперсии возрастает. Для уменьшения влияния хроматической дисперсии на передаваемые сигналы, применяются компенсаторы дисперсии.

Поляризационная модовая дисперсия , возникает в оптическом волокне из-за разности скоростей распространения двух взаимно перпендикулярных поляризационных составляющих моды, что приводит к искажению формы передаваемых импульсов. Причиной этого явления является неоднородность геометрической формы оптического волокна. Влияние поляризационной модовой дисперсии на передаваемые оптические сигналы возрастает с увеличением скорости передачи, с увеличением числа каналов системы уплотнения и с увеличением длины волокна.

Вынужденное обратное рассеяние Мандельштама — Бриллюэна , суть этого явления заключается в создании оптическим сигналом периодических областей с переменным показателем преломления - своего рода виртуальную дифракционную решетку, проходя через которую сигналы распространяются подобно акустической волне. Отраженные этой виртуальной решеткой сигналы, складываются и усиливаются, образуя обратный оптический сигнал с доплеровским понижением частоты. Данное явление приводит к увеличению уровня шумов и препятствует распространению оптического сигнала, так как большая часть его мощности рассеивается в обратном направлении. Часто это явление ошибочно называют отраженной акустической волной.

Фазовая автомодуляция , при высоких уровнях мощности сигнала от лазера, может происходить модуляция сигналом собственной фазы. Эта модуляция расширяет спектр и уширяет или сжимает сигнал во времени в зависимости от знака хроматической дисперсии. В системах плотного спектрального уплотнения, сигнал с расширенным автомодуляцией спектром, может накладываться на сигналы соседних каналов. Фазовая автомодуляция увеличивается при возрастании мощности сигнала, при увеличении скорости передачи и при отрицательной хроматической дисперсии. Влияние фазовой автомодуляции уменьшается при нулевой или небольшой положительной хроматической дисперсии

Перекрестная фазовая модуляция , в результате этого явления сигнал одного канала модулирует фазы сигналов у соседних каналов. Факторы, влияющие на перекрестную фазовую модуляцию, совпадают с факторами, влияющими на фазовую автомодуляцию. Помимо этого, влияние перекрестной фазовой модуляции зависит от числа каналов в системе.

Четырехволновое смешение , проявляется при достижении порогового уровня мощности излучения лазера, в этом случае нелинейные характеристики волокна приводит к взаимодействию трех волн и появлению новой четвертой волны, которая может совпасть с частотой другого канала. Такое наложение частот приводит к увеличению уровня помех и затрудняет прием сигнала

Вносимый усилителем edfa шум , причина этого явления - мощность усиленного спонтанного излучения, возникающая вследствие конструктивных особенностей усилителей edfa. В процессе прохождения через усилитель, к полезной составляющей оптического сигнала добавляется шум, таким образом, уменьшается отношение "сигнал/шум", в результате сигнал может быть принят с ошибками. Это явление ограничивает количество усилителей в линии.

Волоконно-оптические усилители

Практический успех технологии DWDM во многом определил появление волоконно-оптических усилителей. Оптические устройства непосредственно усиливают световые сигналы в диапазоне 1550 нм, исключая необходимость промежуточного преобразования их в электрическую форму, как это делают регенераторы, применяемые в сетях SDH. Недостаток систем электрической регенерации сигналов в том, что они должны воспринимать определенный вид кодирования, что делает их весьма дорогими. Оптические усилители, «прозрачно» передающие информацию, позволяют наращивать скорость магистрали без необходимости модернизировать усилительные блоки. Протяженность участка между оптическими усилителями может достигать 150 км и более, что обеспечивает экономичность создаваемых магистралей DWDM, в которых длина мультиплексной секции составляет на сегодня 600-3000 км при применении от 1 до 7 промежуточных оптических усилителей.

В рекомендации ITU-T G.692 определено три типа усилительных участков, то есть участков между двумя соседними мультиплексорами DWDM:

L (Long) — участок состоит максимум из 8 пролетов волоконно-оптических линий связи и 7 оптических усилителей, максимальное расстояние между усилителями — до 80 км при общей максимальной протяженности участка 640 км;
V (Very long) — участок состоит максимум из 5 пролетов волоконно-оптических линий связи и 4 оптических усилителей, максимальное расстояние между усилителями — до 120 км при общей максимальной протяженности участка 600 км;
U (Ultra long) — участок без промежуточных усилителей длиной до 160 км

Ограничения на количество пассивных участков и их длину связаны с деградацией оптического сигнала при оптическом усилении. Хотя оптический усилитель восстанавливает мощность сигнала, он не полностью компенсирует эффект хроматической дисперсии (то есть распространения волн разной длины с разной скоростью, из-за чего сигнал на приемном конце волокна «размазывается»), а также другие нелинейные эффекты. Поэтому для построения более протяженных магистралей необходимо между усилительными участками устанавливать мультиплексоры DWDM, выполняющие регенерацию сигнала путем его преобразования в электрическую форму и обратно. Для уменьшения нелинейных эффектов в системах DWDM применяется также ограничение мощности сигнала.

Типовые топологии

Сверхдальняя двухточечная связь на основе терминальных мультиплексоров DWDM

Цепь DWDM с вводом-выводом в промежуточных узлах

Кольцевая топология

Кольцевая топология обеспечивает живучесть сети DWDM за счет резервных путей. Методы защиты трафика, применяемые в DWDM, аналогичны методам в SDH. 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.

Ячеистая топология

По мере развития сетей DWDM в них все чаще будет применяться ячеистая топология, которая обеспечивает лучшие показатели в плане гибкости, производительности и отказоустойчивости, чем остальные топологии. Однако для реализации ячеистой топологии необходимо наличие оптических кросс-коннекторов (Optical Cross-Connector, ОХС), которые не только добавляют волны в общий транзитный сигнал и выводят их оттуда, как это делают мультиплексоры ввода-вывода, но и поддерживают произвольную коммутацию между оптическими сигналами, передаваемыми волнами разной длины.

FAQ по CWDM, DWDM и CCWDM

Оптические мультиплексоры ввода-вывода

В сетях DWDM используются пассивные (без электропитания и активного преобразования) и активные мультиплексоры-демультиплескоры.

Пассивные мультиплексоры	Активные мультиплексоры
Число выводимых световых волн невелико	Число световых волн ограничено применяемым частотным планом и набором световых волн
Позволяет выводить и вводить сигнал одной световой волны без изменения спектра общего светового пучка	Не вносит дополнительного затухания, поскольку производит полное демультиплексирование всех каналов и преобразование в электрическую форму
Вносят дополнительное затухание	Обладает высокой стоимость
Обладает бюджетной стоимостью

Мониторинг в DWDM-системах

Основным принципом технологии WDM (Wavelength-division multiplexing, частотное разделение каналов) является возможность передачи множества сигналов на различных несущих длинах волн в одном оптическом волокне. В российской телекоммуникационной отрасли системы передачи, созданные с помощью технологии WDM, называют «Системы уплотнения».

Рисунок 1. Принципиальная схема хWDM-системы

В настоящее время существуют три типа WDM-систем:

Рисунок 2. Рабочие оптические диапазоны

В данном обзоре рассматривается проблема мониторинга в системах уплотнения DWDM, более подробно с различными типами WDM-систем можно ознакомиться в статье «Уплотнение каналов ВОЛС».

В системах спектрального уплотнения DWDM может быть использован один из двух диапазонов несущих длин волн:

С-диапазон — 1525-1565 нм (возможны варианты: Conventional band или C-band)
L-диапазон — 1570-1610 нм (возможны варианты: Long wavelength band или L-band)

Деление на два диапазона обосновано использованием оптических усилителей с разными рабочими диапазонами усиления. С-диапазон — ширина полосы усиления для традиционной конфигурации усилителя составляет примерно 30 нм (1530-1560 нм). L-диапазон — для усиления в длинноволновом диапазоне конфигурация эрбиевого усилителя меняется путем удлинения эрбиевого волокна, вследствие чего и происходит смещение диапазона усиления в длины волн 1560-1600 нм.

В настоящее время в российском телекоме большое признание получило оборудование DWDM C-диапазона. Связано это с наличием различного оборудования, поддерживающего данный диапазон. Производителями оборудования выступают не только маститые отечественные компании и ведущие мировые бренды, но и многочисленные неизвестные азиатские производители.

Основным вопросом на любом участке системы уплотнения (независимо от типа) является уровень мощности в оптическом канале. Для начала разберемся, какие обычно составляющие входят в систему уплотнения DWDM.

Компоненты DWDM-системы:

Рисунок 3. Общая схема DWDM

Стандартная схема состоит всего из двух типов активных компонентов — транспондера и усилителя, с помощью которых можно отслеживать текущий уровень мощности передаваемых сигналов.

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.

Рисунок 4. Упрощенная схема транспондера

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.

Рисунок 5. Упрощенная схема ОЕО-преобразователя

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.

Оптический мультиплексор предназначен для объединения (смешения) отдельных WDM-каналов в групповой сигнал для одновременной их передачи по одному оптическому волокну. Оптические демультиплексоры используются для разделения принятого группового сигнала на приемной стороне. В современных системах уплотнения, функции мультиплексирования и демультиплексирования выполняет одно устройство — мультиплексор/демультиплексор (MUX/DEMUX).

Рисунок 6. AWG-мультиплексор

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 (без предварительного демультиплексирования) мощность входящего в него группового оптического сигнала без оптоэлектронного преобразования. Усилитель состоит из двух активных элементов: активного волокна, легированного Ег3+ и подходящей накачки.

Рисунок 7. Принципиальная схема EDFA

EDFA в зависимости от типа может обеспечить выходную мощность от +16 до +26 дБм. Существует несколько видов усилителей, применение которых определяется конкретной задачей:

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 — световые сигналы с разными длинами волн проходят одно и то же расстояние за разный промежуток времени, в результате чего происходит уширение передаваемого оптического импульса. 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.

Рисунок 8. Принципиальная схема DCM на решетке Брэгга

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 — на основе встроенной в оптические трансиверы функции DDMI или с организацией собственного мониторинга. Использование данной функции позволяет оператору получать актуальную информацию о состоянии определенного канала связи.

Оптические усилители представляют собой усилители с обратной связью, в них всегда присутствует функция мониторинга входного группового сигнала (суммарная оптическая мощность всех входящих сигналов) или функция мониторинга исходящего группового сигнала. Данный мониторинг неудобен для контроля конкретных каналов связи и может быть использован в качестве оценочного (наличие или отсутствие «света»). Таким образом, единственным инструментом контроля оптической мощности в канале передачи данных является транспондер.

Системы уплотнения состоят не только из активных, но и из пассивных элементов, поэтому организация полноценного мониторинга в системах уплотнения весьма востребована и является нетривиальной задачей.

Варианты организации мониторинга в системах уплотнения WDM

В следствие естественных ограничений (особенности оборудования) вариантов организации мониторинга состояния пассивных элементов систем уплотнения WDM не так много. Одним из самых простых вариантов создания мониторинга пассивных мультиплексоров WDM является установка на линейные порты пассивных неравномерных делителей (Рис.9, обозначения «4» и «5»). Неравномерный делитель зачастую представляет собой пассивный оптический сплиттер сварного типа или биконический сплиттер. Включение в схему разветвителей необходимо для организации отвода тестовой оптической мощности. После разветвителя тестовый сигнал можно вывести через оптический порт в измерительное оборудование или завести на широкополосный фотоприемник (Рис.9, обозначения «6» и «7»).

Рисунок 9. Мультиплексор с пассивным мониторингом

Зачастую организуется только оптический порт для подключения измерительного оборудования, так как установка фотодиодов влечет за собой не только прорабатывание вопроса электропитания, но и разработку хоть и простейшей, но платы управления. А с учетом того, что широкополосный фотоприемник сможет детектировать только групповой уровень сигнала, пользы от данной информации мало, а значит и затраты бессмысленны. В роли подключаемого оборудования долгое время были или простейшие измерители оптической мощности (оценочный характер измерений, наличие или отсутствие «света», как и в случае встроенных фотодиодов) или дорогие спектроанализаторы, с помощью которых проводились прецизионные измерения не только мощностей оптических сигналов, но и качество спектров, передаваемых или фильтруемых сигналов системы в зависимости от места тестирования.

В начале 2000-х годов, когда размеры устройств оптического уплотнения стали миниатюризироваться, на рынке измерительного оборудования начали появляться WDM-измерители оптической мощности. Данные устройства в эксплуатации более просты, чем спектроанализаторы — размеры приборов и принцип измерений, как у обычных измерителей оптической мощности, но с возможностью проведения измерений каждой несущей в выбранном WDM-диапазоне. Все результаты измерений выводятся на ЖК-дисплей устройства и могут быть сохранены, измерение отводимых тестовых сигналов стало значительно проще.

Основным неудобством пассивного мониторинга является весьма малый оптический сигнал, который выделяется в тестовые отводы и создает две основные проблемы:

Конечное значение необходимо вычислять с учетом процентного деления ответвителя
Большая измерительная погрешность (связана все с той же малой выделяемой мощностью)

Следует отметить, что для проведения измерений необходимо иметь в арсенале хорошее измерительное оборудование и большой штат обслуживающего персонала, который не только умеет пользоваться данным оборудованием, но и весьма мобилен, так как у одного провайдера может быть не одна линия передачи, построенная по технологии WDM.

Главным плюсом пассивного мониторинга является простота и экономичность реализации (измерительное оборудование и квалифицированный штат обслуживающего персонала не учитывается).

На данный момент существует два решения активного мониторинга пассивных WDM-компонентов:

Мультиплексор со встроенной активной системой мониторинга
Перестраиваемый мультиплексор — ROADM (данный тип устройств достаточно сложен и имеет множество реализаций «в железе»)

Мультиплексор со встроенной активной системой мониторинга позволяет производить одновременный контроль уровней оптической мощности всех сигналов, поступающих в мультиплексор (с клиентской стороны и с линейной).

Рисунок 10. Мультиплексор с активным мониторингом

Схема построения мультиплексора с активным блоком мониторинга во многом повторяет схему реализации простейшего пассивного мониторинга с использованием WDM-тестера оптических сигналов. Для отвода тестового сигнала используются ответвители с неравномерным делением (Рис.10, обозначение «3»). Далее тестовый сигнал попадает на оптический переключатель типа 2х1 (Рис.10, обозначение «5»), с помощью которого выбирается какой из двух тестовых сигналов уйдет на измеритель оптической мощности.

Измеритель оптической мощности состоит из Athermal AWG демультиплексора и ПЗС-матрицы, вклеенной в выходную фокусирующую пластину. Ниже приведена фотография аналогичного блока для CWDM-сигналов, в случае CWDM используются тонкопленочные фильтры и фотодиоды. Принцип работы подобного блока измерения оптической мощности довольно прост: измеряемый групповой сигнал подается на входной оптический порт, далее сигнал попадает на фокусирующую грин-линзу (см. «Устройство мультиплексоров/демультиплексоров CWDM»), которая фокусирует сигнал на первый оптический фильтр, далее системой зеркал с применением дополнительных скип-фильтров групповой сигнал разбивается на отдельные длины волн и принимается фотодетекторами. Информация с фотодетекторов передается на решающее устройство, а далее к клиенту в той или иной форме.

В измерителе, соответственно, происходит оптоэлектронное преобразование и на плату мониторинга поступает оперативная информация об уровне мощности каждого сигнала, далее эта информация передается программе-клиенту.

Можно исключить из схемы оптический переключатель, установив вместо него еще один измеритель, но данный шаг повлечет за собой увеличение себестоимости устройства в 1,5 раза.

С учетом вышеизложенных особенностей архитектуры построения (на блок измерения отводится достаточно малая величина сигнала ≤5 %) система контроля имеет измерительную погрешность ≤±0,8 дБ. Данная величина погрешности измерения рассчитана для демультиплексора (Рис.10, обозначение «2») и является максимальной, так как входящие сигналы весьма маломощные, средняя величина -18…-8 дБм (отводимая оптическая мощности на блок измерения -31…-21 дБ). В то время как для мультиплексора (Рис.10, обозначение «1») погрешность измерения будет составлять ≤±0,2 дБ, так как отводимая оптическая мощность равна -15…-12 дБ, что является нормальной величиной для измерительного оборудования ВОЛС.

Основным отличием и плюсом активной системы мониторинга является использование программы-клиента, которая позволяет удаленно получать оператору оперативную информацию, что значительно упрощает работу с системой уплотнения и не требует присутствия обслуживающего персонала в непосредственной близости от оборудования. Также следует отметить, что наличие функции мониторинга мультиплексора упрощает проведение инсталляции и не требует дополнительного измерительного оборудования в процессе установки и коммутации системы в целом.

Возможности DWDM

Количество каналов в одном волокне – 64 световых пучков в окне прозрачности 1550 нм. Каждая световая волна переносит информацию на скорости до 40 Гбит/с. Также ведутся разработки оборудования со скоростями передачи данных на скоростях до 100 Гбит/с и у компании Cisco уже имеются успехи в разработки подобной техники.

У технологии DWDM имеется предшественница — технология волнового мультиплексирования (Wave Division Multiplexing, WDM) , в которой используется четыре спектральных канала в окнах прозрачности 1310 нм и 1550 нм с разносом несущих в 800-400 ГГц. Мультиплексирование DWDM называется «уплотненным» из-за того, что в нем используется существенно меньшее расстояние между длинами волн, чем в WDM.

Читайте также: