Спектральные уплотнение системы

Использование гибридной модели частотного плана

Как было показано выше, эта альтернатива при использовании второй стратегии позволяет сначала наращивать число каналов в рамках частотного плана CWDM (блоками по 4 канала), а затем - в рамках частотного плана DWDM (блоками по 32 канала), задействовав каналы как в полосе С, так и в полосе L.

Проблемы и перспективы использования WDM

Здесь, как и в [1], рассмотрены только общие контуры новой технологии, которая развивается очень быстрыми темпами. Ее прогресс поддерживается, с одной стороны, новыми усовершенствованиями в области создания стабильных (фиксированных и быстродействующих перестраиваемых) лазерных источников излучения, оптических фильтров(как широкополосных -для CWDM, так и узкополосных -для DWDM и HDWDM) и новых типов ОУ, а с другой стороны, разработкой набора интерфейсных карт, упростивших реализацию транспортных возможностей WDM (в частности, для передачи Ethernet и IP-трафика).

Проблемы

Проблемы реализации систем WDM связаны, главным образом, с преодолением воздействия трех факторов:

· влияния эффекта ЧВС (четырехволнового смешения);

· воздействия помех от соседних каналов;

· ограничения суммарной мощности светового сигнала, вводимого в волокно.

Влияние первого фактора достаточно успешно снижается за счет использования волокна с ненулевой смещенной дисперсией (NZDSF), неравномерного распределения частот несущих (см. подробнее в работе [4]), а также за счет использования схем интерливинга [5].

Влияние второго фактора (который имеет разную природу на передающем и приемном концах) может быть снижено разными способами: увеличением шага несущих (действует на обоих концах), использованием внешнего модулятора (уменьшающего уширение несущей), применением солитонной технологии [6] или техники модуляции с подавлением одной боковой полосы (ОБП). Все три метода действуют на передающем конце. Кроме того, можно применить процедуру интерливинга, при которой плотный набор из n несущих длин волн (с шагом s) разделяется на приемном конце на два или четыре (каскадно 2x2) набора по n/2 (с шагом 2s) или n/4 (с шагом 4s) несущих (см. [5]).

Влияние третьего фактора обусловлено тем, что максимальная мощность каждой оптической несущей PC max (в дБм) зависит от полной оптической мощности, подаваемой с выхода транспондера на вход волокна Ptotal (оптическая мощность в дБм на выходе агрегатного канала WDM) и числа мультиплексированных длин волн п. Согласно стандарту

P c max = Ptotal - 10lgn

Мощность Ptotal ограничена безопасным уровнем излучения лазера (или допустимым уровнем суммарных нелинейных искажений в сердцевине волокна) и составляет для разных производителей оборудования WDM величину от 17 до 30 дБм. По табл. 2 можно оценить, как меняется эта мощность в расчете на 1 несущую для разного числа несущих в системе WDM при равномерном распределении.

Таблица Максимальная мощность на одну несущую WDM, дБм

Из табл. видно, что при большом числе несущих падение мощности может составить (против исходного уровня для двух несущих) 21 дБ. В результате не использования WDM исключается возникновение проблемы обеспечения нужного уровня BER в оптическом канале. Единственный способ борьбы с этим - увеличение эффективной площади сечения волокна, то есть использование специально разработанных волокон, например LEAF, Siecor, брэгговских волокон или волокон на основе фотонных кристаллов [7].

Перспективы

Перспективы развития WDM связаны с тремя факторами: технологическим, сетевым и экономическим.

Технологический фактор определяется развитием элементов систем WDM, что позволит:

· перейти на более плотную сетку частотного плана (25, а затем и 12,5 ГГц), подготовив миграцию систем DWDM в сторону систем HDWDM;

· увеличить максимальное число каналов в широко используемых диапазонах С, L и S [8];

· использовать для этих диапазонов как оптические усилители EDFA, так и рамановские усилители;

· использовать оборудование SDH с увеличенной скоростью передачи на одной несущей: 40-160 Гбит/с;

· использовать солитонную технологию с возможностью увеличения дальности передачи и уменьшения чувствительности высокоскоростных систем к поляризационной модовой дисперсии (PMD) [6].

Сетевой фактор определяется развитостью структуры сетей WDM. В настоящее время не существует единой сети WDM не только в России, но и в США, и в Европе (если не считать фрагментов таких сетей; например, сети SDH-WDM компании Hermes Europe Railtel). Это значит, что нельзя в полной мере воспользоваться одним из самых главных преимуществ систем WDM - возможностью маршрутизации потокового трафика по длине волны л [9], не говоря уже о другой, еще не реализованной возможности маршрутизации оптического пакетного трафика. Также пока нельзя использовать технологию MPлS.

Экономический фактор определяется высокой стоимостью систем WDM даже для топологии "точка -точка". Так, по оценкам одной из компаний - производителей оборудования WDM, секция системы (на основе STM-16/64) на 16 длин волн протяженностью 450-500 км с тремя промежуточными мультиплексорами, не обладающими возможностью оптического ввода-вывода, стоит примерно 1,5-2 млн дол. Эта стоимость может оцениваться как в абсолютной мере (цена за устройство или систему), так и в относительной (цена за бит переданной информации в расчете на километр). Относительная стоимость снижается довольно успешно как за счет увеличения числа бит (увеличение скорости передачи на одну несущую), так и за счет увеличения длины пролета/секции. Снижение же стоимости в абсолютном исчислении происходит пока за счет перехода от систем DWDM к системам CWDM благодаря более дешевым системам мультиплексирования/демультиплексирования на основе пассивных фильтров и комбайнов/разветвителей.

Особенности применения систем WDM в городских сетях

Системы WDM используются для организации городских или корпоративных сетей в рамках большого города. Характерными особенностями таких систем являются:

· относительно небольшая длина пролетов (в среднем 15-20 км и не больше 50-70 км либо не больше 100-200 км по периметру замкнутой кольцевой сети);

· компактная структура, использующая кольцевую, радиально-кольцевую и ячеистую топологии;

· относительно небольшое число каналов (не больше 32) на одно OВ, что позволяет использовать частотные планы как DWDM, так и CWDM;

· широкий набор интерфейсов для доступа в сеть WDM наиболее известных технологий: PDH, SDH, ATM, FDDI, IP, Fast Ethernet (100BASE-F), Gigabit Ethernet (GE) и 10 Gigabit Ethernet (10GE);

· новые сервисы, стандартные для полностью оптических сетей (AON): ввод-вывод оптических несущих, маршрутизация по длинам волн, многопротокольная коммутация по длинам волн (MPлS).

Применение систем CWDM

При анализе возможности применения той или иной технологии для решения определенных задач обычно учитывают наличие конкурентных технологий для решения тех же задач. Конкурентные технологии сравнивают по ряду показателей, ранжированных по степени важности для оператора связи. Такими показателями могут быть: стоимость аналогичного решения, класс сетей и набор реализуемых приложений (сервисов), завершенность технологии (набор стандартов, регламентирующих ее применение), масштабируемость решения и, наконец, наличие технологической ниши, где данная технология имеет наибольшие конкурентные преимущества или просто незаменима.

Если взять, например, задачу выбора технологии, обеспечивающей пропускную способность волокна 40 Гбит/с, то нужно сравнить, как минимум, три конкурирующие технологии:

· SDH (с использованием одного мультиплексора STM-256);

· DWDM (с транспондером на 4 несущих и с 4 мультиплексорами SDH уровня STM-64 или с транспондером на 16 несущих с 16 мультиплексорами SDH уровня STM-16);

· CWDM (с транспондером на 16 несущих с 16 мультиплексорами SDH уровня STM-16).

Очевидно, что стоимость решения, использующего 16 несущих, будет существенно ниже у CDWM, чем у DWDM, и ниже, чем применение SDH. Однако в этом примере выбор CWDM оказывается тупиковым вариантом с точки зрения масштабируемости, так как при этом используется, по крайней мере, два предельных для этой технологии параметра (см. ниже): число несущих и скорость передачи сигнала. Это значит, что при развитии сети может возникнуть необходимость смены технологий и неизбежных при этом дополнительных затрат.

Оборудование, архитектура и завершенность технологии

Анализ затрат на оборудование для двух конкурирующих технологий DWDM и CWDM довольно трудно провести корректно, не привязываясь к конкретным изделиям, производимых одной и той же компанией. Общие оценки, публикуемые в разных изданиях, имеют большой разброс и позволяют указать лишь нижнюю (стоимость CWDM в несколько раз ниже) и верхнюю (стоимость CWDM на 30% ниже) границы сравнительных затрат на системы CWDM и DWDM, так как они зависят от числа используемых несущих и ряда других параметров.

Оборудование

CWDM использует в транспондерах лазеры с распределенной обратной связью (DFB), непосредственной модуляцией и скоростью передачи не выше 2,5 Гбит/с. Они обеспечивают узкую спектральную линию излучения сигнала несущей с большим коэффициентом подавления боковых мод, что, в свою очередь, уменьшает эффект уширения при распространении оптического сигнала по ОB и позволяет без дополнительного усиления перекрывать пролеты длиной до 80 км [10].

Низкие затраты здесь достигаются за счет двух факторов: допустимой точности центральной частоты несущей и допустимого дрейфа этой частоты во времени. Так, для DWDM допустимая точность центральной частоты обычно лежит в пределах 0,5 ГГц (при 25 °С), то же можно сказать и о дрейфе, тогда как для CDWM этот показатель может быть увеличен до 6,5 нм при ширине полосы фильтров демодулятора 13 нм [10].

С другой стороны, лазеры систем DWDM (ввиду малого допуска) должны быть стабилизированы по температуре для компенсации температурного дрейфа примерно 0,1 нм/°С, что вынуждает оператора использовать термостабилизаторы и даже системы с внешней петлей температурной обратной связи. Для лазеров в системах CWDM такая стабилизация считается излишней, учитывая допустимый допуск на дрейф 6,5 нм.

Отсутствие охлаждения и стабилизации температуры позволяет получить значительную экономию потребляемой мощности: если в системах DWDM она составляет 5 Вт/канал передачи несущей, то в системах CWDM - только 0,25 Вт, причем эта разница увеличивается пропорционально числу используемых несущих.

Приемники в обеих системах обычно одинаковы. Это PIN- или APD-диоды, обеспечивающие бюджет мощности системы порядка 20-25 дБ. Существенная разница, однако, наблюдается на этапе демультиплексирования. При малом числе каналов в обеих системах можно использовать одинаковые демультиплексоры с фильтрами на многослойных тонких пленках, однако требования к фильтрам могут значительно отличаться. Так, при шаге сетки несущих 200 ГГц в DWDM необходимо использовать фильтры со 125 слоями для обеспечения требуемого затухания в переходной полосе, тогда как в CWDM при разносе несущих на 20 нм достаточно 50 слоев (при этом вносимые потери фильтров не превышают 1 дБ) [10]. Если же число длин волн велико, то в системах DWDM используются демультиплексоры на основе дифракционной решетки на массиве волноводов (AWG), которые стоят еще больше в расчете на одну несущую.

Архитектура и реализуемые сервисы

Традиционные системы CDWM первоначально строились по однопролетной схеме с терминальными мультиплексорами одного производителя в расчете на сетевую топологию "точка - точка" в корпоративных и локальных сетях. Набор интерфейсных карт давал, как правило, возможность использовать технологии ATM, ТЗ/ЕЗ (PDH), Fast Ethernet (FE), FDDI [6]. При этом допускалось применение многомодового ОВ и работа в трех окнах прозрачности 850/1300/1550 нм. Мультиплексоры ввода-вывода при этом не использовались. На смену традиционным пришли открытые и гибридные системы CWDM.

В открытых системах CWDM сетевые операторы для повышения гибкости систем стали использовать маршрутизаторы, мультиплексоры ввода-вывода и коммутаторы с интерфейсами CWDM. Применение мультиплексоров ввода-вывода позволило расширить круг используемых топологий и освоить кольцевые сети в городских сетях, а также сети доступа транспортных сетей SDH.

Гибридные системы CWDM позволяли широко использовать преимущества обоих типов систем и освоить радиально-кольцевые топологии [6]. Однако главным было то, что в результате переориентации на одномодовое ОВ и диапазон 1550 им появилась возможность устанавливать интерфейсные DWDM-карты и осуществлять реконфигурацию несущих каналов CWDM в несущие каналы DWDM со всеми вытекающими из этого преимуществами в плане масштабирования [11].

Оказалось, что в результате такого развития систем CWDM появилась возможность использовать CWDM на трех нижних уровнях четырехуровневой иерархии сетей:

· магистральные транспортные сети (верхний уровень);

· магистральные городские сети (средний уровень);

· развитые сети доступа (средний уровень);

· сети "последней/первой мили" (нижний уровень).

При этом местом реализации открытых систем CWDM стали сети "последней/первой мили", тогда как местом реализации гибридных систем CWDM, которые стали обозначаться как системы C/DWDM, стали городские сети и сети доступа.

Набор физических интерфейсов (а значит, и набор сервисов/услуг) систем CWDM и C/DWDM при этом расширился и может теперь включать в себя (помимо интерфейсов, указанных выше): IP, гигабитный и 10-гигабитный Ethernet (GE и l0GE), OC-1/3/12/24/48 (SONET) и STM-1/4/16 (SDH), Fiber Channel (FC), ESCON и xDSL.

Завершенность технологии

Завершенность технологии определяется наличием разработанных и внедренных стандартов, специфицирующих параметры систем и оптические интерфейсы, а также разработанных методик оценки показателей производительности систем и уровня ошибок в них.

В области стандартизации систем CWDM первой была принята рекомендация МСЭ [2], описавшая сетку длин волн, используемых в CWDM.

Затем в феврале 2004 г. была утверждена рекомендация МСЭ [12], определяющая характеристики и параметры систем CWDM: типы оптических интерфейсов CWDM и перекрываемые ими расстояния, допустимые уровни мощности и затухания оптических сигналов. Она предусматривала даже применение скорости передачи 1,244 Гбит/с, соответствующей уровню SONET ОС-24 и не являющейся стандартной для европейской ветви SONET/SDH [6], но позволяющей существенно улучшить коэффициент использования емкости полезной нагрузки при инкапсуляции гигабитного Ethernet (GE) в оболочку синхронной полезной нагрузки (SPE), по сравнению с вариантом использования для этой цели синхронного транспортного модуля SDH STM-16.

Рекомендация [12] определяет оптические интерфейсы однонаправленных и двунаправленных систем CWDM для сетевых приложений, использующих одномодовое ОВ. Они ограниченны как по числу несущих (не больше 16, хотя рекомендация [2] позволяет использовать 18 несущих), так и по скорости сигнальных каналов (не выше 2,5 Гбит/с при кодировании кодом без возвращения к нулю - NRZ).

Сетевые приложения и сервисы должны соответствовать теперь кодам использования, аналогично тому, как это делается для систем SONET/SDH [6] и WDM [1]. Они описывают сеть, условия использования, архитектурные особенности приложений и другие особенности.

Код использования для однонаправленных систем CWDM формируется в виде CnWx-ytz с применением следующих обозначений [12]:

· С - указатель сетевых приложений;

· n - максимальное число несущих, поддерживаемое данным кодом использования;

· W - указатель длины перекрываемого пролета, а именно:

o S - указатель короткой секции,

o L - указатель длинной секции;

· х - максимальное число перекрытий, поддерживаемое данным кодом использования;

· у - указатель самого высокого класса поддерживаемых оптических трибов:

o 0 - наивысшим является триб SONET NRZ 1,25 Мбит/с,

o 1 - наивысшим является триб SDH NRZ 2,5 Мбит/с;

· t - указатель конфигурации, поддерживаемой данным кодом использования:

o А - в конфигурации используются только два ОУ: один в качестве бустера на выходе передатчика, другой - в качестве предусилителя,

o В - в конфигурации используется только бустер на выходе передатчика,

o С - в конфигурации используется только предусилитель;

o D -- в конфигурации вообще не используются усилители;

· z - указатель типа применяемого волокна:

o 2 - волокно типа G.652;

o 3 - волокно типа G.653;

o 5 - волокно типа G.655.

Код использования для двунаправленных систем CWDM с моделью типа "черный ящик" формируется добавлением буквы В перед общим кодом, то есть имеет вид: B-CnWx-ytz.

Код использования для систем CWDM с моделью типа "черное звено" (в котором оптические мультиплексор и демультиплексор рассматриваются как пара сетевых элементов одного одноканального звена) формируется добавлением буквы S перед общим кодом, то есть имеет вид: S-CnWx-ytz.

Вариант реализации мультисервисной системы CWDM

В заключение покажем один из возможных вариантов реализации описанных сервисов в оборудовании на примере мультисервисной системы CWDM. Она позволяет агрегировать сигнальные потоки, формируемые сетевым оборудованием различных технологий, и может быть установлена на "последней/первой миле" и в сетях доступа. Операторы смогут предлагать пользователям различные услуги в рамках одной унифицированной оптической инфраструктуры благодаря объединению в устройстве следующих сервисов:

· сервисы, агрегируемые низкоскоростным мультиплексором с временным разделением каналов типа LSA, то есть сервисы Т1/Е1, ТЗ/ЕЗ и Ethernet, FE, GE, агрегируемые в потоки SONET ОС-3/12/48 или в потоки SDH STM-1/4/16; полученные потоки можно затем конвертировать в формат CWDM и передавать на оптические мультиплексоры ввода-вывода, которые объединяют подачу нескольких длин волн в одно волокно (формат CWDM допускает использование 9 и 18 длин волн на одно волокно, см. ниже);

· сервисы, агрегируемые мультиплексором SADM, поддерживающим сервисы ОС-3/12 или STM-1/4, то есть агрегирующим 4ОС-3/12 в ОС-48 или 4STM-1/4 в STM-16;

· сервисы, агрегируемые мультиплексором ESCON, поддерживающим 12 входных потоков ESCON, которые агрегируются в один ОС-48/STM-16;

· сервисы, агрегируемые мультиплексором SFDADM, поддерживающим 2 потока GE/FC или 8 потоков FE и 1 поток GE/FC, которые агрегируются в ОС-48/STM-16;

· сервисы CWDM (9 несущих в окне 1310 нм с защитой (кольцевая топология) или в двунаправленном варианте; 18 несущих без защиты (кольцевая топология) или в однонаправленном варианте.

Литература

1. Слепов Н. Особенности современной технологии WDM // Электроника: НТВ. 2004. № 6. С. 68-76.

2. ITU-T G.694.2. Spectral grids for WDM applications: CWDM wavelength grid (6.02).

3. Hinderthur H., Friedric L. WDM hybrid transmission based on CWDM plus DWDM // Lightwave Europe. July 2003. P. 9-12.

4. ITU-T G.692. Optical interfaces for multi-channel systems with optical amplifiers (10.98, Corr. 1,2-6.02).

5. Bautista J., Shine B. Untangling the wavelength Web: Separating DWDM Channels with Interleaves // Photonics Spectra. February 2001. P. 90-92.

6. Слепов Н.Н. Современные технологии цифровых оптоволоконных сетей связи. 2-е испр. изд. - М.: Радио и связь, 2003.

7. Слепов Н. Фотонно-кристаллическое волокно уже реальность Электроника: НТВ. 2004. № 5. С. 80-84.

8. Jun-lchi-Kani et. al. Triple-wavelength-band WDM transmission technologies. OFC-2002, Anaheim, Paper TuR5, p. 122-123,

9. Borella A., Cancelleri G., Chiaraluce F. Wavelength Division Multiple Access Optical Networks. - Artech House. Boston-London. 1998.

10. CWDM Technology and Applications. White Paper WP011, CIENA Corporation, 2004, p. 1-9.

11. Слепов Н. Особенности, проблемы и перспективы разреженных систем WDM (CWDM) // Электроника: НТВ. 2004. № 7. С. 56-59.

12. ITU-T G.695. Optical Interfaces for Coarse Wave-length Division Multiplexing Applications (2.04).

Размещено на Allbest.ru