Cwdm значение несущих частот. Какие технологии могут применять операторы для увеличения возможностей существующих оптических сетей? Оценка качества линии
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).
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.
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 100 ГГц (нм), (табл. 1). В тоже время большие дебаты продолжаются вокруг принятия частотного плана с еще меньшим расстоянием между каналами 50 ГГц (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.
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:
типа используемых оптических усилителей (кремниевого или фтор-цирконатного);
скорости передачи на канал - 2,4 Гбит/с (STM-16) или 10 Гбит/с (STM-64);
влияния нелинейных эффектов.
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 ёмкости (где можно использовать практически всю зону усиления кремниевого EDFA, несмотря на нелинейность).
Сетка 50 ГГц.
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 расстояние0,4 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 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 1570-1600 нм;
малые расстояние между мультиплексными каналами, 0,8 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) переходных помех на полюсах DWDM устройства. Все это приводит к более высокой стоимости DWDM устройств по сравнению WDM.
На 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 4-8 дБ, при дальних переходных помехах
Транспондеры и трансиверы
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 пролета 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.
На 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 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, имеет 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
Использование перенастраиваемого оптического мультиплексора ввода/вывода (ROADM) дает 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 сеть: на основе технологии селекторного переключения спектральных каналов (WSS).
Построение сетей DWDM
Городские DWDM сети, как правило, строят с использованием кольцевой архитектуры, что позволяет применять механизмы защиты на уровне DWDM при скорости восстановления не более 50 мс. 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 емкостью канала 2,5 или 10 Гбит/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.
SFP (WDM, CWDM, DWDM) – ЧТО ЭТО? ДЛЯ ЧЕГО НУЖНЫ?
Технологии спектрального уплотнения (WDM).
Спектральное уплотнение основывается на методе уплотнения оптических каналов. Принцип данного метода заключается в том, что каждый информационный поток передается по одному оптическому волокну на разной длине волны (на разной несущей частоте), отстоящей друг от друга на расстоянии 20 нм.
С помощью специальных устройств – оптических мультиплексоров – потоки объединяются в один оптический сигнал, который вводится в оптическое волокно. На приемной стороне производится обратная операция – демультиплексирование, осуществляемая с применением оптических демультиплексоров. Это открывает поистине неисчерпаемые возможности как для увеличения пропускной способности линии, так и построению сложных топологических решений с использованием одного волокна.
При выборе количества каналов следует обратить внимание на тип используемого одномодового волокна!
Например, в волокнах типа G.652B (волокно с водяным пиком на длине волны 1383 нм) на коротких длинах волн большие потери на излучение, в связи с этим допустимое расстояние передачи сокращается и количество спектральных каналов будет меньше требуемого.
В системах Coarse WDM, в соответствии с рекомендацией МСЭ G.694.2 следует использовать не более 18 несущих с шагом 20 нм: 1270, 1290, 1310 … 1570, 1590, 1610, т.е. если общая требуемая ширина диапазона длин волн не превышает 340 нм. Следует учесть, что на краях такого широкого диапазона затухание достаточно велико, особенно в области коротких волн. Увеличить число каналов до 18 позволили так называемые волокна с нулевым водяным пиком (ZWPF, Zero Water Peak Fiber; LWPF, Low Water Peak Fiber), параметры которых определяет рекомендация ITU-T G.652.C/D. В волокнах данного типа устранен пик поглощения на длине волны 1383 нм и величина затухания на этой длине волны составляет порядка 0,31 дБ/км.
Волокно G.653 оказалось непригодным для новой стремительно развивающейся технологии спектрального мультиплексирования WDM из-за нулевой дисперсии на 1550 нм, приводившей к резкому возрастанию искажений сигнала от четырехволнового смешения в этих системах. Наиболее приспособленным для плотного и высокоплотного WDM (DWDM и HDWDM) оказалось оптическое волокно G.655, а для разреженного WDM – недавно стандартизованное оптическое волокно G.656
Создание волокон без «водяного пика», позволило использовать в системах связи все волны в диапазоне от 1260 до 1625 нм, – т.е. там, где кварцевое оптическое волокно обладает наибольшей прозрачностью.
ОСНОВНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ
Мультиплексоры/демультиплексоры (MUX/DEMUX);
позволяют суммировать и разделять оптические сигналы.
позволяют выделить и добавить в волокно сигнал по определенным несущим частотам.
В зависимости от поставленной задачи конфигурация мультиплексора/демультиплексора (Mux/Demux) определяется по следующим характеристикам:
Двухволоконный мультиплексор
(2 fiber)
Одноволоконный мультиплексор
(1 fiber (single fiber) или bidirectional)
4-х или 8-ми канальный мультиплексор
(8 или16 длин волн), работающий на одном волокне
8-ми или 16-ти канальный, работающий на двух волокнах
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
Коннекторы – FC,SC,LC,ST,FA,SA
Поставка Мультиплексоров возможна в следующих вариантах исполнения:
Стоечные 19”
1RU
В пластиковом корпусе
(для монтажа на стену или в муфту)
По виду разъема
– LC, SC, проч.
SFP (Small Form Factor Pluggable) трансиверы (SFP,SFP+, X2, XFP) –
формируют и принимают оптические сигналы (определенных длин волн) в CWDM-системе; переводят сигнал из электрического в оптический и обратно. Модуль SFP
объединяет в себе сразу передатчик (transmitter) и приемник (receiver). Поэтому он поддерживает одновременную передачу и прием данных по двум линкам в рамках единого канала. Еще со времен радио, такие устройства называются transceiver. Именно поэтому модули SFP называют трансиверами. 
Каждый SFP трансивер работает по двум волокнам и, в отличие от стандартных двухволоконных трансиверов 1000Base LX, оперирует двумя разными длинами волн – широкополосный приемник работает с одной длиной волны и передатчик с другой.
Для образования канала данных в системе SFP трансиверы комплектуются «попарно».
Трансиверы так же отличаются по мощности сигнала (километражу), т.е работают на разные расстояния.
Для более сильного уплотнения оптического сигнала используются «цветные» SFP модули, работающие в определенном диапазоне длин волн (CWDM) . Такие SFP трансиверы предназначены для формирования оптических сигналов «основной несущей» с 1270 по 1610нм (шаг 20нм).
Доступны SFP-модули, работающие как по одному, так и по двум волокнам с пропускной способностью 1.25, 2.5 и 4.25Gbps. Данные модули могут быть установлены непосредственно в коммутирующее оборудование практически любого производителя, делая возможной бесшовную интеграцию CWDM в существующую инфраструктуру. Один и тот же модуль может служить интерфейсом Gigabit Ethernet, Fibre Channel или SDH, что существенно добавляет гибкости решения.
Также возможна установка CWDM SFP модулей в шасси медиаконвертеров. Использование шасси – наиболее гибкое решение, полностью исключающее проблемы несовместимости оборудования. Используя шасси, вы получаете на выходе стандартные порты 1000BASE-T Gigabit Ethernet, что позволяет отказаться от дорогостоящих коммутаторов с SFP-портами.
Отдельное внимание стоит обратить на уплотнение каналов 10 Гбит/с. Еще три года назад не существовало трансиверов, работающих на скоростях 10 Гбит/с и поддерживающих длины волн частотной сетки систем разреженного спектрального уплотнения, в настоящее время такие модули появились, однако, их использование накладывает существенные ограничения на возможности системы, по сравнению с уплотнением каналов 1,25 Гбит/с и 2,5 Гбит/с.
В настоящее время не существует лазеров, поддерживающих скорость 10 Гбит/с и работающих в диапазоне длин волн 1350-1450 нм, поэтому максимальное количество уплотняемых каналов 10 Гбит/с не может превышать 12 при использовании двух волокон стандарта G.652D. Помимо этого, при использовании каналов 10 Гбит/с необходимо учитывать, что максимальный оптический бюджет таких модулей в настоящий момент составляет не более 28 dBm, что соответствует дальности работы примерно в 80 километров по одномодовому волокну. В случаях, если необходимо уплотнить и передать более 12 каналов 10 Гбит/с, в т.ч. на расстояния больше 80 километров, используется оборудование DWDM.
OADM модули -мультиплексоры ввода/вывода; позволяют выделить и добавить в волокно сигнал по определенным несущим.
Основные свойства:
Ввод/вывод одного канала
Пассивная оптика
Низкие вносимые потери для транзитных 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.
Приемо-передающий блок одноканального OADM модуля имеет четыре интерфейса:
Com порт – получает сигнал со стороны мультиплексора
Express порт – пропускает сигнал на другие элементы системы
Add порт – добавляет в линию канал на определенной длине волны,
Drop порт – извлекает из линии канал на определенной длине волны.
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 одним SFP трансивером, двухканальный OADM – с двумя
Терминально-транзитный модуль OADM (модуль drop/pass ) отводит один канал из магистрали и направляет его к локальному порту. Остальные каналы пропускаются непосредственно к другим узлам сети.
Одноканальный мультиплексирующий модуль OADM (модуль drop/add) имеет два локальных интерфейса. Первый отводит один канал из магистрали и направляет его к локальному порту, второй – добавляет этот канал обратно в магистраль в противоположном направлении. Такой модуль необходим при построении сети топологии «кольцо».
Поставка OADM модулей возможна в вариантах исполнения:
Стоечные 19” 1RU
В пластиковом корпусе (для монтажа на стену или в муфту)
Разъемы – LC, SC, проч.
Основными системами спектрального уплотнения являются:
- WDM (Wavelength Division Multiplexing)
- CWDM (Coarse Wavelength Division Multiplexing)
Так что такое WDM ?
Технология для добавления оптических сигналов с разными длинами волн , передающихся одновременно по одному волокну 2 и более сигнала разделяемых на дальнем конце по длинам волн. Наиболее типичные (2- канальный WDM) комбинируют длины волн 1310 нм и 1550 нм в одном волокне.
Двух-канальный WDM (и трех канальный) может быть использован для быстрого и простого добавления дополнительной (или двух дополнительных) длин волн. Он очень прост для установки и подключения и очень недорогой. В большинстве случаев, WDM наиболее экономичное решение при нехватке волокна в кабеле, дающее выигрыш волокна 2 к 1 или 3 к 1 за счет объединения длин волн 1310 нм, 1550 нм и 1490 нм в одном волокне.
В случае, когда требуется больше каналов для расширения существующей волоконно-оптической инфраструктуры, CWDM обеспечивает эффективное решение для оптических пролетов небольшой длины (до 80 км). CWDM может просто и быстро добавить до 18 дополнительных длин волн на стандартизованных ITU частотах. Она идеальна для сетей умеренных размеров с поперечными размерами до 100 км. Так как расстояния между длинами волн составляет 20 нм, то менее дорогие лазеры могут использоваться, что обеспечивает очень низкую стоимость. Системы CWDM, хотя и являются многоканальными, но не имеют никаких механизмов оптического усиления и ограничения в дальности определяются по каналу с максимальным затуханием. Более того, каналы из области от 1360нм до 1440 нм могут испытывать наибольшее затухание (от 1 до 2 dB/км) из-за водяного пика в этой области для некоторых типов оптического кабеля.
Там где требуется высокая емкость или передача на большие расстояния, решения DWDM - предпочтительный метод для увеличения емкости волокна. С ее высоко-точными лазерами, оптимизированными для работы в окне 1550 нм (для уменьшения потерь), системы DWDM являются идеальным решением для более требовательных сетей. Системы DWDM могут использовать EDFA для усиления всех длин волн в DWDM окне и увеличение длины передачи до 500 км.
Системы DWDM обычно ограничены по дальности 4-5 участками усиления из-за шумов усиленного спонтанного излучения (ASE, Amplified Spontaneous Emissions) в EDFA. Имеются средства моделирования, позволяющие точно определить сколько EDFA может быть установлено. На длинных участках (> 120 км) может создавать проблемы дисперсия, что требует установки модулей компенсации дисперсии. Полоса DWDM ограничена длинами волн в пределах от 1530 нм до 1565 нм диапазоном усиления EDFA.
Типы решений:
1. Точка – точка.
Добавление спектральной системы с топологией «точка-точка» в оптическую систему является простым и экономически выгодным решением проблемы нехватки волокон. 
Системы с подобной топологией характерны 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. При этом режиме работы 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.
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 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 в любой точке тракта.
В данном случае между двумя мультиплексорами / демультиплексорами устанавливаются OADM модули (двухканальные).
При этом каждый двухканальный OADM модуль необходимо укомплектовывать двумя SFP трансиверами. 
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 уплотнения.
Достоинства
Экономия оптического волокна - система спектрального уплотнения позволяет передавать по одному волокну до 8 каналов с пропускной способностью до 2,5 Gb/s на канал
Независимость от электропитания - питание необходимо только для активного оборудования
Отсутствие проблем «падения», перезагрузок и пр.
Отсутствие необходимости организации постоянного доступа к местам размещения элементов системы - существуют OADM модули в исполнении для размещения в оптических муфтах
Снижение уровня влияния «человеческого фактора» – отсутствие активных компонентов, требующих настройки, управления и пр.
Значительное снижение стоимости владения - снижение уровня эксплуатационных расходов
Относительно невысокая стоимость, возможность отказа от оборудования уровня агрегации
Максимальная дальность работы составляет 80 и более километров
Независимость от клиентских протоколов – передача до 18-ти независимых сервисов по двум парам оптических волокон; прозрачность для всех протоколов передачи данных
Наличие различных видов оборудования для монтажа в различных условиях: в стойку, в муфту, на стену.
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
