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

На данный момент существуют три типа WDM-систем:
1. CWDM (Coarse Wavelength-division multiplexing - грубое частотное разделение каналов) -системы с разносом оптических несущих на 20 нм (2500 ГГц). Рабочий диапазон 1261-1611 нм, в котором можно реализовать до 18 симплексных каналов. Стандарт МСЭ G.694.2.
2. DWDM (Dense Wavelength-division multiplexing - плотное частотное разделение каналов) - системы с разносом оптических несущих на 0,8 нм (100 ГГц). Существуют два рабочих диапазона - 1525-1565 нм и 1570-1610 нм, в которых можно реализовать до 44 симплексных каналов. Стандарт МСЭ G.694.1.
3. HDWDM (High Dense Wavelength-division multiplexing - высокоплотное частотное разделение каналов) - системы с разносом оптических несущих на 0,4 нм (50 ГГц) и менее. Возможна реализация до 80 симплексных каналов.

В данной статье (обзоре) уделено внимание проблеме мониторинга в системах уплотнения DWDM, более подробно о различных типах WDM-систем можно ознакомиться по ссылке - ссылка .

Системы спектрального уплотнения DWDM могут использовать один из двух диапазонов несущих длин волн: С-диапазон - 1525-1565 нм (также может встречаться conventional band или C-band) и L-диапазон - 1570-1610 нм (также может встречаться long wavelength band или L-band).

Деление на два диапазона обосновано использованием разных оптических усилителей с различными рабочими диапазонами усиления. Ширина полосы усиления для традиционной конфигурации усилителя составляет примерно 30 нм, 1530-1560 нм, что является С-диапазоном. Для усиления в длинноволновом диапазоне (L-диапазон) конфигурация эрбиевого усилителя меняется путем удлинения эрбиевого волокна, что приводит к смещению диапазона усиления в длины волн 1560-1600 нм.

На данный момент в российском телекоме большое признание получило оборудование DWDM C-диапазона. Связано это с обилием различного оборудования, поддерживающего данный диапазон. Следует отметить, что производителями оборудования выступают как маститые отечественные компании и ведущие мировые бренды, так и многочисленные безликие азиатские производители.

Основным вопросом на любом участке системы уплотнения (в независимости от типа) является уровень мощности в оптическом канале. Для начала следует разобраться, из чего обычно состоит система уплотнения DWDM.

Компоненты DWDM-системы:
1) Транспондер
2) Мультиплексор/демультиплексор
3) Оптический усилитель
4) Компенсатор хроматической дисперсии

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.

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.

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.

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

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

В зависимости от типа, EDFA может обеспечить выходную мощность от +16 до +26 дБм.
Существует несколько видов усилителей, применение которых определяется конкретной задачей:
Входные оптические усилители мощности (бустеры) - устанавливаются в начале трассы
Оптические предусилители - устанавливаются в конце трассы перед оптическими приемниками
Линейные оптические усилители - устанавливаются на промежуточных узлах усиления для поддержания необходимой оптической мощности

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

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

По причине того, что оптические усилители представляют собой усилители с обратной связью, в них всегда присутствует функция мониторинга входного группового сигнала (суммарная оптическая мощность всех входящих сигналов) и исходящего группового сигнала. Но данный мониторинг неудобен в случае контроля конкретных каналов связи и может использоваться как оценочный (наличие или отсутствие света). Таким образом, единственным инструментом контроля оптической мощности в канале передачи данных является транспондер.

А так как системы уплотнения состоят не только из активных, но и из пассивных элементов, организация полноценного мониторинга в системах уплотнения является весьма нетривиальной и востребованной задачей.

Варианты организации мониторинга в системах уплотнения WDM будут рассмотрены в следующей статье.

Оптическое волокно обладает огромной пропускной способностью. Еще лет двадцать назад людям казалось, что им вряд ли потребуется и сотая ее часть. Однако время идет и потребности в передаче больших объемов информации растут все быстрее. Такие технологии как ATM, IP, SDH (STM-16/64) уже в ближайшей перспективе могут не справится с “взрывным” ростом передаваемой информации. На смену им пришла технология DWDM.

DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing) – технология плотного мультиплексирования с разделением по длине волны. Суть технологии DWDM заключается в том, что по одному оптическому волокну передаются несколько информационных каналов на различных длинах волн, что позволяет максимально эффективно использовать возможности волокна. Это позволяет максимально увеличить пропускную способность ВОЛС, не прокладывая новые кабели и не устанавливая новое оборудование. Кроме того, работать с несколькими каналами в волокне намного удобнее, чем работать с разными волокнами, так как для обработки любого числа каналов требуется один мультиплексор DWDM.

Системы DWDM основаны на способности оптического волокна одновременно передавать свет различных длин волн без взаимной интерференции. Каждая длина волны представляет отдельный оптический канал. Поясним для начала понятие интерференции.

Интерференция света – перераспределение интенсивности света в результате наложения (суперпозиции) нескольких когерентных световых волн. Это явление сопровождается чередующимися в пространстве максимумами и минимумами интенсивности.

В определении интерференции есть важное понятие когерентности. Световые волны когерентны, когда разность их фаз постоянна. Если волны будут накладываться в противофазе – амплитуда итоговой волны равна нулю. В противном случае, если волны накладываются в одной фазе – то амплитуда результирующей волны будет больше.

На этом этапе важно понять, что если две волны имеют разные частоты они уже не будут когерентны. Соответственно влияния друг на друг оказывать не должны. Исходя из этого, становится понятно, что мы можем передавать одновременно по одной среде модулированные сигналы с разными длинами волн (частотами) и они не будут оказывать друг на друга никакого влияния. Именно эта идея лежит в основе технологии DWDM. На сегодняшний день технология DWDM позволяет передавать по одному волокну каналы с разницей длин волн между соседними каналами всего в доли нанометра. Современное оборудования DWDM поддерживает десятки каналов, каждый емкостью 2,5 Гбит/с.

Казалось бы, что если волны разных частот не накладываются друг на друга, то в оптическое волокно можно ввести практически бесконечное число каналов, ведь спектр света огромен. В теории это так, но на практике есть определенные проблемы. Во-первых ранее мы рассматривали строго монохроматическую волну (одной частоты). Добиться такой монохроматичности весьма тяжело, так как световые волны генерируются лазерами – электронными компонентами, которые подвержены такому явлению как тепловой шум. При генерации световой волны лазер будет неосознанно искажать выходной сигнал, что приведет к небольшим вариациям частоты. Во-вторых монохроматическая волна имеет ширину спектра, равную нулю. На графике ее можно представить как одну единственную гармонику. В реальности же спектр светового сигнала отличен от нуля. Об этих проблемах стоит помнить, когда мы говорим про системы DWDM.

Суть технологии спектрального (оптического) уплотнения заключается в возможности организации множества раздельных клиентских сигналов (SDH, Ethernet) по одному оптическому волокну. Для каждого отдельного клиентского сигнала необходимо изменить длину волны. Данное преобразование выполняется на DWDM-транспондере. Выходной сигнал с транспондера будет соответствовать конкретному оптическому каналу со своей длиной волны. Затем при помощи мультиплексора сигналы смешиваются и передаются в оптическую линию. В конечном пункте происходит обратная операция – при помощи демультиплексора сигналы выделяются из группового сигнала, меняют длину волны на стандартную (на транспондере), и передаются клиенту. Из-за оптический сигнал имеет свойство затухать. Для того, чтобы его усилить на оптической линии используются усилители.

Мы рассмотрели работу системы DWDM в общем виде. Далее будет более подробное изложение компонентов DWDM системы.

Транспондер DWDM – частотный преобразователь, обеспечивает интерфейс между оборудованием оконечного доступа и линией DWDM. Изначально транспондер предназначался для преобразования клиентского сигнала (оптического, электрического) в оптический сигнал с длиной волны в диапазоне 1550 нм (характерной для DWDM-систем). Однако со временем в транспондерах появилась функция регенерации сигнала. Регенерация сигнала быстро прошла три стадии развития – 1R, 2R, 3R.

• 1R – ретрансляция. Восстанавливается только амплитуда. Это ограничивало протяженность ранних систем DWDM, так как по сути остальные параметры (фаза, форма) не восстанавливались и в итоге получался “мусор на входе – мусор на выходе”.
• 2R – восстановление амплитуды сигнала и его длительности. В этих транспондерах использовался триггер Шмидта для очистки сигнала. Не получили большой популярности.
• 3R – восстановление амплитуды сигнала, его длительности и фазы. Полностью цифровое устройство. Способен распознавать служебные байты управляющего уровня SONET/SDH – сетей.

Мукспондер DWDM (мультиплексор-транспондер) – это система, выполняющая временное мультиплексирование низкоскоростного сигнала в высокоскоростную несущую.

(Де)мультиплексор DWDM – это устройство, которое с помощью различных методов волнового разделения объединяют несколько оптических сигналов для передачи сигналов по оптическому волокну и разделяют эти сигналы после передачи.

Часто требуется добавить в составной сигнал и выделить из него только один канал, не меняя при этом всю структуру сигнала. Для этого применяются мультиплексоры ввода/вывода каналов OADM (Optical Add/Drop Multiplexer), которые выполняют эту операцию, не преобразуя сигналы всех каналов в электрическую форму.

Усилители на волокне, легированном эрбием EDFA (Erbium-Doped Fiber Amplifier) за последние несколько лет произвели революцию в телекоммуникационной промышленности. Усилители EDFA обеспечивают непосредственное усиление оптических сигналов без из преобразования в электрические сигналы и обратно, обладают низким уровнем шумов, а их рабочий диапазон длин волн практически точно соответствует окну прозрачности кварцевого оптического волокна. Именно благодаря появлению усилителей с таким сочетание качеств линии связи и сети на основе систем DWDM стали экономичными и привлекательными.

В линии связи после оптического передатчика часто устанавливают аттюнюаторы, которые позволяют уменьшать их выходную мощность до уровня, соответствующего возможностям расположенных далее мультиплексоров и усилителей EDFA.

Оптическое волокно и некоторые компоненты систем DWDM обладают хроматической дисперсией. Показатель преломления волокна зависит от длины волны сигнала, что приводит к зависимостям скорости распространения сигнала от длины волны (материальная дисперсия). Даже если показатель преломления не зависил бы от длины волны, сигналы разных длин волн все равно распространялись бы с разной скоростью из-за внутренних геометрических свойств волокна (волноводная дисперсия). Результирующее воздействие материальной и волноводной дисперсий называется хроматической дисперсией.

Хроматическая дисперсия приводит к уширению оптических импульсов по мере их распространения по волокну. При большой протяженности линии это приводит к тому, что близко идущие импульсы начинают перекрываться, ухудшая сигнал. Устройства компенсации дисперсии DCD придают сигналу равную по величине, но противоположную по знаку дисперсию и восстанавливают первоначальную форму импульсов.

Системы DWDM имеют множество топологий: кольцевая, ячеистая, линейная. Рассмотрим наиболее популярную сегодня кольцевую топологию. Кольцевая топология обеспечивает живучесть сети DWDM за счет резервных путей. 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 (или сигнал, заданный по-умолчанию).

Подписывайтесь на нашу

Структура уплотненного волнового мультиплексирования (DWDM) создана для оптических магистралей нового времени, которые работают на терабитных и мультигигабитных скоростях. Речь идет о большой производительности мультиплексирования, то есть данные в оптическом волокне транспортируются одновременно большим количеством световых волн — лямбд λ .

Сеть DWDM соответствует принципу , каждая световая волна передается по отдельному спектральному каналу и передает личную информацию. Аппаратная часть DWDM не занимается прямыми проблемами транспортировки данных на каждой волне, образно говорят методами кодирования данных и протоколами передачи. Его основная задача это мультиплексирования и демультиплексирования , а если быть проще, то организация разных волн в один световой пучок а потом выделение данных каждого спектрального канала из общего сигнала. Эта технология считается революционной благодаря возможности коммутации и мультиплексирования над световыми сигналами без модификации их в электрическую форму. Эта технология не поддерживает и , она только передает световые волны. В таких сетях нужна правильная работа а также .

Технологии

На сегодня аппаратная часть DWDM разрешает транспортировать по одному оптическому волокну 32 и больше волн разной длины в окне прозрачности 1550 нм. И каждая волна может транспортировать данные со скоростью до 10 Гбит/с. На данный момент идет процесс повышения скорости транспортировки данных на одной длине волны с в 40-80 Гбит/с. Самым важной характеристикой в технологии плотного волнового мультиплексирования является расстояние между соседними каналами. Стандартизация пространственного расположения линий нужна, для того, что на ее основе можно будет проводить тесты 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 в 1000 ГГц. Не понимая какие преимущества и ограничения имеет каждый частотный план, организации и операторы связи, которые планируют наращивать пропускную способность сети, могут напороться на значительные трудности.

Сетка 100 ГГц показана в таблице 1 с частотным планом 100 ГГц и разной степенью разреженности каналов. Все сетки кроме 500/400 обладают равноудаленными каналами. Равномерное распределение каналов разрешает оптимизировать работу волновых конвертеров, лазеров и др. и разрешает легче реализовать наращивание. Реализация любой сетки частотного плана зависит от:

• скорости передачи на канал
• нелинейных эффектов
• типа оптического усилителя (фтор-цирконатный или кремниевый)

Длина волны	Номер канала	Диапазон
1565,50	15
1564,68	16	Red-Band
1563,86	17	Red-Band
1563,05	18	Red-Band
1562,23	19	Red-Band
1561,42	20	Red-Band
1560,61	21	Red-Band
1559,79	22	Red-Band
1558,98	23	Red-Band
1558,17	24	Red-Band
1557,36	25	Red-Band
1556,55	26	Red-Band
1555,75	27	Red-Band
1554,94	28	Red-Band
1554,13	29	Red-Band
1553,33	30	Red-Band
1552,52	31	Red-Band
1551,72	32	Red-Band
1550,92	33	Red-Band
1550,12	34	Red-Band
1549,32	35	Red-Band
1548,51	36	Red-Band
1547,72	37	Red-Band
1546,92	38
1546,12	39
1545,32	40
1544,53	41
1543,73	42	Blue-Band
1542,94	43	Blue-Band
1542,14	44	Blue-Band
1541,35	45	Blue-Band
1540,56	46	Blue-Band
1539,77	47	Blue-Band
1538,98	48	Blue-Band
1538,19	49	Blue-Band
1537,4	< 50 >	Blue-Band
1536,61	51	Blue-Band
1535,82	52	Blue-Band
1535,04	53	Blue-Band
1534,25	54	Blue-Band
1533,47	55	Blue-Band
1532,68	56	Blue-Band
1531,9	57	Blue-Band
1531,12	58	Blue-Band
1530,33	59	Blue-Band
1529,55	60	Blue-Band
1528,77	61	Blue-Band

Стандартные EDFA на кремниевом волокне обладают одним недостатком — многую вариацию коэффициента усиления в области ниже 1540 нм, что дает низкий параметр соотношения сигнал/шум и нелинейности усиления в этой области. С увеличением полосы пропускания минимальное значение по стандарту соотношение сигнал/шум увеличивается. Для канала STM-64 оно на 4-7 дБ больше, чем для STM-16. По этому, нелинейность коэффициента усиления кремниевого EDFA сильно ограничивает размер зоны для мультиплексных каналов STM-64 (1540-1560 нм), чем для каналов STM-16 и меньшей емкости.

Сетка 50 ГГц более плотная, но нестандартизированная. Сетка с таким частотным планом разрешает эффективней реализовывать зону 1540-1560 нм,где работают стандартные кремниевые EDFA. При такой сетке есть ряд минусов .

• при уменьшении межканального интервала увеличивается влияние эффект четырехволнового смешивания, что ограничивает максимальную длину межрегенерационной линии.
• Маленькое межканальное расстояние ~ 0,4 нм может ограничить реализацию мультиплексирования каналов STM-64. На рис.1 видно, что мультиплексирование каналов STM-64 с интервалом в 50 ГГц невозможно, так как возникает перекрытие спектров соседних каналов.
• При интервале в 50 ГГц требования и производству лазеров и др компонентов становится жесткими, что снижает потенциальное число производителей.

Рисунок 1

мультиплексоры DWDM

Мультиплесоры DWDM относительно WDM имеют две отличительные черты:

• малые дистанции между мультиплесными каналами — 0,8 нм или 0,4 нм
• реализация только одного окна прозрачности 1550 нм

Мультиплексирование DWDM имеет название уплотненное , так как используется на много меньше расстояние между длинами волн, чем у предшествинника WDM и . На текущий момент рекомендацией G.692 сектора ITU-T есть два частотных плана (набор частот, которые отстают друг от друга на одну и ту же константу):

• частотны план с разбросом частот между соседними каналами 100 ГГц (Δλ≈ 0,8 нм) для которого применяется 41 волна в диапазоне от 1528,77 (196,1 ТГц) до 1560,61 нм (192,1 ТГц);
• частотны план с шагом 50 ГГц (Δλ≈ 0,4 нм) что дает в том же диапазоне 81 длину волны.

На рисунке 2.а показана обычная схема DWDM — мультиплексора с зеркальным отражательным элементом. Входной мультиплесный сигнал попадает на входной порт. Этот сигнал проходит через волновод-пластину и расходится по множеству волноводов. Далее реализовано отражение сигналов от зеркальной поверхности после чего световые потоки вновь собираются в волноводе-пластине, где реализована фокусировка и интерференеция (создаются пространственно разнесенные интерференционные максимумы интенсивности, соответствующие разным каналам).

Другой метод реализации мультиплексора основан не на одной, а на паре волноводов-пластин (рис.2.б). Механизм работы такой же как в предыдущем, однако для фокусировки и интерференции используется еще одна пластина.

DWDM мультиплексоры, являются пассивными устройствами которые вносят большое затухание в сигнал. К примеру устройства (рис.1.а) который работает в режиме демультиплексирования составляют 4-8 дБ, при дальних переходных помехах < -20 дБ и полуширине спектра сигнала 0,05 нм.

Рисунок 2

Также ведутся эксперименты по повышению количества волн в двое с шагом 25 ГГц, и будущая технология будет называться HDWDM.

Эксплуатация частотных планов с ходом шага 50 ГГц и 25 ГГц представляет жесткие задачи к оборудованию, особенно если будет скорость модуляции более 10 Гбит/с. Теоретически зазоры между соседними волнами в 25 и 50 ГГц можно передавать данные со скоростью 10 Гбит/с, но при этом нужно учитывать и реализовать минимально возможную ширину спектра несущей волны и высокою точность частоты, а также снизить уровень шумов. Это показано на рис.3.

Рисунок 3

Транспондеры и трансиверы

Для транспортировки данных на длине волны из сетки DWDM можно применять трансиверы и транспондеры. Транспондеры в отличии от трансиверов, разрешают изменить длину волны излучения последнего устройства в длину волны DWDM для транспортировки в мультиплексор. На входы оптического мультиплексора приходят оптические сигналы, параметры которых равны параметрам стандарта G.692.

Реализация оптических усилителей

На сегодня технологии оптического усиления на основе EDFA сделали скачок вперед. Обычные волоконно-оптические системы реализуют регенераторы, повторители повышающие мощность сигнала и др. (рис.4). Когда расстояние между удаленными узлами больше чем длина затухания сигнала, то между такими узлами ставят регенераторы, которые слабый сигнал усиливают (все параметры сигнала восстанавливаются в исходные). Такие регенераторы не разрешает наращивать пропускную способность линии.

На основе EDFA потеря мощности сигнала в линии решается путем оптического усиления (4.б). В отличии от регенераторов, усиление не привязано к битовой скорости сигнала, что разрешает транспортировать данные на высоких скоростях и наращивать пропускную способность до тех пор, пока не вступят в силу другие факторы (поляризационная модовая дисперсия и хроматическая дисперсия). Усилители EDFA разрешают усиливать многоканальный WDM сигнал, добавляя еще одно измерения в пропускную ёмкость. В отличии от регенераторов оптические усилителя вносят свой шум, который нужно учитывать.

Рисунок 4

Построение сетей DWDM

Городские сети DWDM обычно создают с реализацией кольцевой архитектуры, что разрешает реализовывать средства защиты на уровне DWDM при скорости восстановления не больше 50 мс. В такой технологии DWDM минимальная дискретность сигнала — это длина волны или оптический канал. Реализация целых длин волн с объемом канала 2,5 или 10 Гбит/с для обмена трафиком между подсетями оправдывает себя при больших транспортных сетях. Уровень распределения можно реализовать и на базе SDH-каналов. При упаковке ATM/SDH/IP — сигналов в оптический канал их содержимое и структура не меняются. Системы DWDM реализуют только мониторинг отдельных байтов для контроля правильности прохождения сигналов. Соединения подсетей по инфраструктуре DWDM на отдельно взятой длине волны можно смотреть как соединение парой оптических кабелей.

Технология DWDM реализует частотное мультиплексирование световых волн, а не электрических как в системе FDM. Рисунок 3.21 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. 3.21. Процесс мультиплексирования DWDM

У технологии DWDM имеется предшественница - технология волнового мультиплексирования WDM (Wave Division Multiplexing), которая использует от 2 до 16 спектральных каналов. По одному каналу переносится информация со скоростью до 10 Гбит/с. 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. 3.22 показаны компоненты участка системы DWDM.

Рис. 3.22. 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.

Анализ сетевого трафика в течение последних двух десятилетий показывает на экспоненциальный рост его практически во всех регионах мира. 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 .

На выставке «Связь Экспокомм-2012» российской компанией Т8 была представлена разработка 80 канальной системы DWDM со скоростью информации через каскад усилителей на 2000 км по каналу 100 Гбит/с. Максимальная емкость такой системы составляет 8 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 отмечается, что увеличение канальной емкости позволяет уменьшить число каналов, а это упрощает управление сетью.

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