Исследование увеличения пропускной способности на базе технологии WDM

 

Введение

промышленный мультиплексор уплотнение дисперсия

Цена успеха в информационный век может измеряться емкостью сетевых магистралей или ее недостатком.

В последнее десятилетие операторы дальней связи начали использовать в качестве магистральных каналов оптоволокно. Применяя технологию мультиплексирования с разделением по времени (Time Division Multiplexing -- TDM), удалось достичь скоростей передачи 2,4 Gbps по одному волокну (канал ОС-48/STM-16). В некоторых случаях с помощью аппаратуры ОС-192/STM-64 удается достичь 10 Gbps.

Проблема нехватки пропускной способности оптоволоконных магистралей может быть решена тремя способами:

·прокладкой новых кабелей;

·усовершенствованием аппаратуры TDM;

·использованием технологии мультиплексирования с разделением по длине волны (Wavelength Division Multiplexing -- WDM).

Первый способ до недавнего времени являлся стандартным для многих провайдеров, испытывавших необходимость повысить пропускную способность каналов. Как правило, прокладка нового кабеля оправдывается только при небольших расстояниях и если она не сопряжена с трудностями. Но даже в таком случае оператор вряд ли сможет предоставить новые сервисы и утилизировать полосу пропускания в достаточной степени. Это может показаться неожиданным, но установленное сегодня оборудование TDM использует менее 1% возможностей оптоволокна. В большинстве случаев такое решение оказывается непрактичным или даже невозможным.

Как уже упоминалось выше, в некоторых случаях провайдеры могут предоставить канал ОС-192/STM-64 с пропускной способностью 10 Gbps. Однако здесь возникает целый ряд проблем. Дело в том, что большая часть инсталлированной базы кабелей использует одномодовое оптоволокно, для которого дисперсия в окне прозрачности 1550 нм оказывается слишком высокой. В результате для эффективной передачи необходимо прокладывать либо отрезки кабеля с дисперсией противоположного знака, либо полностью новое волокно со смещенной ненулевой дисперсией (Non-Zero Dispersion Shifted Fiber -- NZDSF). Кроме этого, увеличение скорости передачи приводит к высокой плотности потока излучения на достаточно протяженных участках. Это, в свою очередь, вызывает нелинейные оптические эффекты, в результате которых искажается форма волны. Вот далеко не полный перечень ограничений при переходе к высоким скоростям. Поэтому при таком подходе оператор вынужден протестировать буквально каждый канал на его совместимость с аппаратуройОС-192/STM-64.

Третий способ, который более точно называется плотным (Dense) мультиплексированием с разделением по длине волны (DWDM), позволяет одновременно передавать по одному оптоволокну большое число информационных потоков при технологически приемлемых скоростях (например, 2,4 Gbps). Так, мультиплексирование 16 каналов дает немедленное увеличение пропускной способности в 16 раз по уже имеющимся оптоволоконным кабелям [1]. Перейдем теперь к более подробному рассмотрению этой технологии.



1. Общие принципы организации систем связи со спектральным уплотнением (WDM)


.1 Введение в WDM


Оптическое мультиплексирование с разделением по длинам волн МРДВ (WDM) - сравнительно новая технология оптического (или спектрального) уплотнения, которая была разработана в 1970-1980 годах. В настоящее время WDM играет для оптических синхронных систем ту же роль, что и мультиплексирование с частотным разделением МЧР (FDM) для аналоговых систем передачи данных. По этой причине системы с WDM часто называют системами оптического мультиплексирования с частотным разделением ОМЧР (OFDM). Однако по сути своей эти технологии (FDM и OFDM) существенно отличаются друг от друга. Их отличие состоит не только в использовании оптического (OFDM) или электрического (FDM) сигнала. При FDM используется механизм АМ модуляции с одной боковой полосой (ОБП) и выбранной системой поднесущих, модулирующий сигнал которых одинаков по структуре, так как представлен набором стандартных каналов ТЧ. При OFDM механизм модуляции, необходимый в FDM для сдвига несущих, вообще не используется, несущие генерируются отдельными источниками (лазерами), сигналы которых просто объединяются мультиплексором в единый многочастотный сигнал. Каждая его составляющая (несущая) принципиально может передавать поток цифровых сигналов, сформированный по законам различных синхронных технологий. Например, одна несущая формально может передавать АТМ трафик, другая SDH, третья PDH и т.д. Для этого несущие модулируются цифровым сигналом в соответствии с передаваемым трафиком.

Системы WDM основаны на способности оптического волокна одновременно передавать свет различных длин волн (цветов) без взаимной интерференции. Каждая длина волны представляет отдельный оптический канал в волокне. Существуют различные оптические методы для того, чтобы объединить несколько каналов в одном волокне, а затем выделить их в нужных точках сети. На сегодняшний день технология WDM позволяет передавать по одному волокну каналы с разницей длин волн между соседними каналами всего в доли нанометра (1 нм = 10-9 м), что называется плотным волновым мультиплексированием DWDM (Dense WDM). Развитие технологии WDM позволило создать коммерческие сети, в которых по отдельным волокнам передается более сотни независимых оптических каналов, а также сети, в которых передача сигналов осуществляется в обоих направлениях в одном и том же оптическом волокне. И это только начало [8].


1.2 Модель взаимодействия WDM с транспортными технологиями


Формально для систем WDM не важно, какие методы кодирования и формирования конкретного цифрового сигнала использовались. Хотя, как правило, в этих системах и передается однотипный трафик, это диктуется используемыми методами синхронизации и единообразием процесса обработки. В отличие от систем SDH транспортируемый сигнал не упаковывается в контейнеры и не подвергается обработке в соответствии со структурой мультиплексирования SDH для формирования транспортного модуля STM-N, который только и может быть передан через физический уровень в канал связи (среду передачи).

Если упрощенно представить многоуровневую модель взаимодействия основных технологий SDH/SONET, ATM, IP (без учета возможности переноса IP через ATM), осуществляющих транспортировку сигнала в глобальных цифровых сетях, и WDM, то до появления последней она имела вид, представленный на рис. 1а. Модель состояла из трех уровней и оптической среды передачи и показывала, что для транспортировки трафика верхнего уровня (ATM и IP) по оптической среде передачи он должен быть размещен (инкапсулирован) в транспортные модули STM-N/OC-n технологий SDH/SONET, способные, используя физический интерфейс этих технологий, пройти через физический уровень в оптическую среду передачи. Отсюда была ясна необходимость создания технологий инкапсуляции ячеек АТМ, например, в виртуальные контейнеры SDH (ATM over SDH), или пакетов IP в виртуальные трибы SONET (IP over SONET). Этим и занимались соответствующие подкомитеты по стандартизации в таких институтах, как ANSI, ISO, ITU-T и ETSI, разрабатывая стандарты на указанные технологии.


а) - до внедрения технологии WDM б) - после внедрения WDM

Рисунок 1 - Модель взаимодействия основных транспортных технологий


После появления систем WDM модель принимает вид, представленный на рис. 1б. Теперь модель имеет четыре уровня, не считая оптической среды передачи. Появился промежуточный уровень WDM, который, как и SDH/SONET, обеспечивает физический интерфейс, позволяющий через физический уровень выйти в оптическую среду передачи не только технологии SDH/SONET, но и технологиям ATM и IP. В последнем случае не требуется инкапсуляции ячеек ATM или пакетов IP в промежуточный транспортный модуль технологий SDH/SONET, что не только упрощает процедуру обработки и транспортировки трафика, генерируемого системами ATM и IP, но и существенно уменьшает общую длину заголовков (которые пристыковываются по мере прохождения с верхнего уровня на нижний), повышая процент, занимаемый информационной составляющей трафика, в общей длине передаваемого сообщения, а значит, и эффективность передачи в целом. Естественно, что ATM и IP трафик может быть передан и по традиционной схеме с использованием SDH/SONET, трафик которых может быть также передан с помощью систем WDM, что сохраняет преемственность старых схем транспортировки и увеличивает гибкость композитных систем WDM-SDH/SONET в целом [4].


1.3 Общее описание систем с WDM


Система WDM во многом похожа на традиционную систему TDM. Сигналы разных длин волн, генерируемые одним или несколькими оптическими передатчиками, объединяются мультиплексором в многоканальный составной оптический сигнал, который далее распространяется по оптическому волокну. При больших расстояниях передачи на линии связи устанавливается один или несколько оптических повторителей. Демультиплексор принимает составной сигнал, выделяет из него исходные каналы разных длин волн и направляет их на соответствующие фотоприемники. На промежуточных узлах некоторые каналы могут быть добавлены или выделены из составного сигнала посредством мультиплексоров ввода/вывода или устройств кросс-коммутации.


Рисунок 2 -Типовая система WDM с возможностями выделения / добавления и кросс-коммутации каналов

Главным отличием систем WDM от систем TDM является то, что в системе WDM передача ведется на нескольких длинах волн. Важно отметить, что на каждой длине волны в системе WDM может передаваться мультиплексированный сигнал систем TDM. Система WDM в общем случае состоит из одного или нескольких лазерных передатчиков, мультиплексора, одного или нескольких усилителей EDFA, мультиплексоров ввода/вывода, оптического волокна (кабеля), демультиплексора и соответствующего числа фотоприемников , а также электронного оборудования , которое обрабатывает передаваемые данные в соответствии с используемыми протоколами связи, и системы сетевого управления.

Основная схема системы c WDM (для примера взято четыре канала) имеет вид.


Рисунок 3 - Блок-схема WDM


Здесь n входных потоков данных (кодированных цифровых импульсных последовательностей) модулируют (модуляция основной полосой) с помощью оптических модуляторов Mi оптические несущие с длинами волн li. Модулированные несущие мультиплексируются (объединяются) с помощью мультиплексора WDM Mux в агрегатный поток, который после усиления (с помощью бустера или мощного усилителя - МУ) подается в ОВ. На приемном конце поток с выхода ОВ усиливается предварительным усилителем - ПУ, демультиплексируется, т.е. разделяется на составляющие потоки - модулированные несущие l i, которые детектируются с помощью детекторов Дi (на входе которых могут дополнительно использоваться полосовые фильтры Фi для уменьшения переходных помех и увеличения тем самым помехоустойчивости детектирования), и, наконец, демодулируются демодуляторами ДMi, формирующими на выходе исходные кодированные цифровые импульсные последовательности. Кроме МУ и ПУ в системе могут быть использованы и линейные усилители - ЛУ (как рассматривалось выше).


2. Компоненты системы WDM


Основное требование к компонентам систем WDM состоит в том, что они должны одинаково обрабатывать все каналы на всем протяжении оптического пути линии связи. Для этого требуется тщательный выбор оптических передатчиков, мультиплексоров, демультиплексоров, усилителей и волокна. Все оптические характеристики пассивных и активных компонентов сети - вносимые потери, потери на отражение, дисперсия, поляризационные эффекты и т.д. должны измеряться как функция длины волны во всем диапазоне длин волн, используемом для передачи в системе WDM. В системах WDM часто используют значительно более сложные устройства, чем в системах с одной рабочей длиной волны, и проводить тестирование характеристик таких устройств намного сложнее.

В мультиплексорах, демультиплексорах, узкополосных фильтрах систем WDM используются тонкопленочные фильтры, сварные биконические разветвители BFT (Fused Biconic Tapered Coupler), решетки на основе массива волноводов AWG (Array Waveguide Grating), волоконные брэгговские и обычные дифракционные решетки. Необходимо исследовать влияние активных компонентов (в особенности, оптических усилителей) и взаимной интерференции каналов на целостность передаваемых сигналов для минимизации потенциальной возможности их неблагоприятного воздействия. Несмотря на то, что все материалы и компоненты при производстве тестируются на соответствие стандартам, возможно ухудшение их характеристик при непосредственной установке в полевых условиях. При объединении отдельных компонентов в единую систему, небольшие различия их характеристик могут накапливаться и непредсказуемым образом влиять на параметры сети в целом. Для обеспечения гарантированной надежности сети, необходимо выполнять тестирование не только каждого компонента в отдельности, но и всей системы в целом. Тестирование компонентов может вызвать много сложностей. Разница длин волн соседних каналов в системах WDM очень мала, и параметры многих компонентов (например, мультиплексоров) должны строго соответствовать пределам допустимых отклонений. При большом числе каналов используемый спектральный диапазон становится достаточно широким, и поддержание близких значений параметров для всех каналов (коэффициента усиления, дисперсии, уровня вносимых шумов и т.д.) становится достаточно сложной задачей [8].


2.1 Передатчики


В первых волоконно-оптических передатчиках электрические и электронно-оптические элементы представляли собой отдельные модули. Современные передатчики имеют гибридную конструкцию. Лазеры и интегральные микросхемы, модулирующие излучение, объединены в единый компактный модуль, что позволяет достичь больших частот модуляции и высокой надежности. Такой модуль является по сути электронно-оптическим преобразователем, в котором интенсивность выходного светового сигнала модулируется входным цифровым электрическим сигналом. При низких скоростях передачи модулируется управляющий ток (лазеры с внутренней модуляцией), при высоких - сам оптический сигнал (лазеры с внешней модуляцией).

Передатчик для одного канала обычно представляет собой лазер с распределенной обратной связью DFB (Distributed Feed Back) с выходной мощностью в волокне не менее 0 дБм (1 мВт) и модулятор. При высоких частотах модуляции модулятор обычно внешний. Современная интегральная оптика позволяет создавать недорогие и удобные в эксплуатации оптические передающие модули, объединяющие в одном кристалле лазер, модулятор и полупроводниковый усилитель. Разработаны оптические передающие модули, объединяющие мультилазеры, одновременно генерирующие сигналы на нескольких длинах волн, мультиплексор и полупроводниковый оптический усилитель мощности. Иногда за лазером устанавливают регулируемый аттенюатор, плавно уменьшающий мощность лазера. Степень ослабления сигнала лазера выбирается исходя из характеристик первого регенератора в линии связи. В случае, когда одновременно используют несколько передатчиков с разными длинами волн, для выравнивания спектрального распределения мощности также требуется применение соответствующих аттенюаторов.

В системах WDM наиболее широко применяют DFB-лазеры с резонатором типа Фабри-Перо. При этом дифракционная решетка выполнена на поверхности активной части кристалла лазера, что обеспечивает точный выбор длины волны лазерного излучения за счет оптической обратной связи (рис. 4). С помощью дифракционной решетки обеспечивается усиление излучения только одной продольной моды лазера таким образом, что вся мощность сигнала концентрируется в очень узкой области спектра (ширина линии на половине высоты менее 100 МГц). При этом боковые моды подавляются до уровня не менее 40 дБ (рис. 5). Отношение мощности главного пика к мощности ближайшей боковой моды называют коэффициентом подавления боковых мод. Как и в лазере с резонатором Фабри-Перо, геометрия волновода обеспечивает высокую направленность и высокую степень поляризации выходного лазерного излучения.


Рисунок 4 - Упрощенный вид кристалла DFB-лазера


Рисунок 5 - Спектр излучения DFB-лазера


Модуль оптического передатчика с DFB-лазером может содержать также термоэлектрическое охлаждающее устройство, датчик температуры, оптический изолятор и контрольный фотодиод. Эффективность DFB-лазеров достаточно высока: выходная мощность в 0 дБм обеспечивается при токе накачки в 40 мА.

Модуляция излучения лазера является одним из проблемных вопросов. При низких скоростях передачи модулируется ток накачки. При высоких скоростях передачи используется внешняя модуляция сигнала лазера, так как модуляция тока приводит к слишком большому чирпированию. Внешняя модуляция увеличивает стоимость и сложность системы, вносит дополнительные оптические потери и усложняет управление состоянием поляризации излучения.

Обычно для внешней модуляции используют интерферометры типа Маха-Цендера (Mach-Zehnder) или устройства электрического поглощения, основанные на технологии переключений. Для достижения высоких частот переключения часто используют волноводы на основе монокристаллов ниобата лития (LiNbO3) или фосфида индия (InP) благодаря их большому показателю преломления. Высокая стоимость устройств интегральной оптики пока ограничивает применение таких модуляторов, однако совершенствование процесса производства и рост потребительского спроса на них должны изменить эту ситуацию в лучшую сторону. Применение волоконных оптических усилителей EDFA и полупроводниковых оптических усилителей SOA (Semiconductor Optical Amplifier) позволило значительно увеличить мощность, вводимую в волокно после модулятора (до уровня больше +17 дБм). Поскольку значения мощности выше +17 дБм уже не соответствуют классу безопасности IIIb (Рекомендации IEC 60825), рассматривается возможность введения класса безопасности 1M для лазеров с мощностью излучения, вводимой в волокно, +20 дБм и выше.лазеры имеют несколько недостатков. Из-за очень узкой ширины линии генерации (и соответственно большой длины когерентности) они чувствительны к отраженному в линии сигналу, попадающему обратно активную область усиления лазера. Если в линии создаются параллельные частично отражающие поверхности в пределах длины когерентности лазера, это приводит к возникновению отраженного сигнала, когерентного с излучением лазера. Попадая в резонатор лазера, такой сигнал интерферирует с полезным сигналом и нарушает стабильность генерации лазера. Причем, интенсивность отраженного сигнала может иметь максимум при определенных температурах, что делает стохастическим и трудноулавливаемым появление этого эффекта. Основным способом борьбы с этим является применение на выходе передающего модуля оптического изолятора [5].


2.2 Стабилизаторы длины волны


Успешная работа сетей WDM во многом зависит от стабильности источника сигнала. Для того, чтобы приемники, фильтры, аттенюаторы и волновые разветвители правильно выполняли свои функции, частота сигнала должна выдерживаться с очень высокой точностью. Это обеспечивают стабилизаторы длины волны, рис. 6.

Стабилизаторы длины волны осуществляют блокировку излучения лазера за пределами ширины полосы для каждой номинальной частоты излучения.


Рисунок 6 - Упрощенная схема работы стабилизатора длины волны


И обеспечивают требуемую для источников излучения систем WDM высокую стабильность. Точная длина волны излучения лазера устанавливается путем изменения его температуры или с помощью его подкачки электрическим током. При этом стабилизатор длины волны выдает управляющий сигнал для задания длины волны излучения лазера. Обычно стабилизатор состоит из двух последовательно расположенных диэлектрических оптических фильтров. Один фильтр настроен на частоту, немного выше номинальной, другой - на частоту, на то же значение ниже номинальной. При прохождении оптического сигнала через эти фильтры выдается управляющий электрический сигнал, показывающий, насколько далеко длина волны источника сместилась от номинального значения .

Диэлектрические фильтры обладают исключительно высокой стабильностью и могут быть настроены на пропускание очень узкого, точно позиционированного диапазона длин волн. Стабилизаторы длины волны, использующие диэлектрические фильтры, длины волны в течение длительного времени [3].

2.3 Фотоприемники


Оптический фотоприемник преобразует входные оптические сигналы в электрические и осуществляет таким образом их демодуляцию. Фотоприемник должен быть полностью совместим с передатчиком как по спектральной области чувствительности в пределах номинальных длин волн, так и временным характеристикам модуляции излучения. Кроме того, фотоприемник должен обладать устойчивостью к ошибкам, которые могут возникнуть в сигнале при прохождении других оптических компонентов. Оптический сигнал подается на фотоприемник непосредственно из волокна, что обеспечивается традиционным способом - их торцевой стыковкой. Полученный на фотоприемнике электрический сигнал необходимо усилить до требуемого уровня, внеся при этом как можно меньше. Может понадобиться также электронная фильтрация, для сглаживания эффективного частотного отклика усилителя. Все эти операции обычно выполняются одним гибридным модулем (включающим и модуль приемника), на который поступает входной оптический сигнал из волокна. Модуль формирует на выходе отфильтрованный электрический сигнал, который затем требуется соответствующим образом демодулировать.

Сложность процесса демодуляции зависит от используемой технологии модуляции. Например, при использовании технологии TDM необходимо выделить из поступившего сигнала сигналы синхронизации, для чего могут использоваться различные схемы выявления и исправления ошибок. Обычно в качестве фотоприемников используется два типа фотодиодов: PIN- фотодиоды и лавинные фотодиоды APD (Avalanche Photodiode). PIN-фотодиоды работают со стандартными низковольтными источниками питания (5 В), но они менее чувствительны и имеют более узкую область спектральной чувствительности по сравнению с лавинными фотодиодами. До появления лавинных фотодиодов высокоскоростные PIN-фотодиоды использовались на линиях связи со скоростями передачи 10 Гбит/с и 40 Гбит/с. Лавинные фотодиоды в основном применяются на линиях связи большой протяженности, где оправданы их высокая стоимость и значительно более сложные схемы регистрации оптических сигналов. Кроме того, во многих случаях использование фотоприемника с лавинным фотодиодом позволяет отказаться от оптического предусилителя, необходимого в фотоприемнике с PIN- фотодиодом.


Рисунок 7 - Электрическая диаграмма PIN-фотодиода


Важнейшие характеристики при выборе фотоприемника - это спектральная чувствительность (отношение силы тока к мощности оптического сигнала A/W в зависимости от длины волны), пороговая чувствительность (уровень входного сигнала, при котором он уже перестает различаться из-за шумов фотоприемника), спектральная и электрическая полосы пропускания, динамический диапазон, уровень шумов. Допустимое значение каждой характеристики фотоприемника зависит от его конкретного применения. Например, шумовые характеристики становятся более значимыми, когда перед фотоприемником установлен оптический предусилитель большой мощности. Кроме этого, следует обратить внимание на необходимость оптической фильтрации - такой же, как и в демультиплексоре - для уменьшения усиленной спонтанной эмиссии [5].

2.4 Аттенюаторы


В линии связи после оптического передатчика часто устанавливают аттенюаторы, которые позволяют уменьшать их выходную мощность до уровня, соответствующего возможностям расположенных далее мультиплексоров и усилителей EDFA (рис. 8).


Рисунок 8 - Аттенюаторы расположены между передатчиками и мультиплексором


Рисунок 9 - Избирательное ослабление ?x длин волн


Применение мощных лазеров в передатчиках оправдано при отказе от необходимости использования промежуточных усилителей сигнала на линии. При этом на определенных участках сети может понадобиться ослабление мощности сигнала с помощью аттенюатора, чтобы большая мощность сигнала не приводила к нелинейным ослабление мощности часто требуется и для, чтобы "выровнять" спектр сигнала на входе в усилителя EDFA и обеспечить равномерное усиление для всех каналов.

Это особенно важно, когда в усилителе EDFA происходит добавление или выделение каналов.

Ослабление сигнала также зависит от его мощности: чем выше мощность сигнала, тем сильнее излучение вследствие нелинейных эффектов и, как следствие, больше ослабление сигнала [8].


2.5 Коммутаторы


В сетях WDM коммутаторы применяют для того, чтобы при возникновении неисправностей в сети направить сигнал по другому оптическому пути или через другую сеть.

Поначалу коммутация в волоконно-оптических сетях включала в себя преобразование оптического сигнала в электрическую форму, выполнение необходимых переключений и обратное преобразование сигнала в оптическую форму. Этот громоздкий и дорогой процесс ограничивал скорость коммутации и снижал работоспособность систем WDM. Такой способ коммутации получил название «непрозрачной коммутации».

Сложность современных сетей и требования к их надежности за последние годы значительно возросли. Раньше в оптической сети было достаточно нескольких коммутаторов с простыми возможностями перенаправления сигнала, теперь в сетях требуются мощные системы кросс-коммутации типа NxN, выполняющие сложные операции по полной переконфигурации N оптических сигналов. Способность осуществлять полную неблокируемую коммутацию сигналов становится крайне важной функцией для современных полностью оптических сетей. Поэтому огромную практическую важность приобрели устройства оптической кросс-коммутации OXC (Optical Cross Connect), в которых не происходит оптоэлектронного преобразования («Прозрачная коммутация»).

Ранее обычно использовались коммутаторы типа 1xN с электрическим управлением, переключающие сигнал со входного волокна между несколькими выходными волокнами. В оптических сетях они выполняли функцию восстановления связи и не позволяли осуществлять динамическое выделение или перераспределение полосы пропускания [2].


.6 Устройства оптической кросс-коммутации OXC


Для перенаправления нескольких каналов могут использоваться простые оптические переключатели. Однако, они не подходят для сложных сетевых архитектур (кольцевой, ячеистой) с большим количеством узлов и точек доступа, где необходима гибкая быстрая коммутация большого числа каналов. Несколько лет назад начали внедряться технологии оптической кросс-коммутации. Поначалу коммутация была оптомеханической - выполнялась с помощью крошечных зеркал, размещенных на пути оптического луча.


Рисунок 10 - Пример оптической кросс-коммутации


Использование микротехнологии и технологии на основе систем MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems) позволяет разместить множество коммутирующих линз и микрозеркал вместе с их приводами на одном кремниевом кристалле. Такие устройства могут иметь сотни портов, обладают низкими вносимыми потерями, очень высокой изоляцией каналов (до 80 дБ) и могут использоваться в широком диапазоне длин волн.

В настоящее время с целью разработки устройств кросс-коммутации изучаются возможности применения полностью оптических технологий на основе оптических волноводов, жидких кристаллов и технологии цилиндрических магнитных доменов, параметры которых можно быстро менять с помощью изменения температуры, управляющего электрического тока или оптических вентилей (отдельных оптических усилителей, которые можно быстро включать и выключать). Постоянно возрастающий спрос на быстрое, надежное и недорогое оборудование для оптической коммутации будет в ближайшем будущем стимулировать научные исследования и разработки в этой области [5].


2.7 Адресные устройства ввода/вывода каналов


Адресные устройства ввода/вывода каналов (Addressable Add / Drop Device) обеспечивают селективную маршрутизацию каналов в системах WDM. В этих устройствах оптические коммутаторы применяются вместе с другими компонентами, основанными на технологии коммутации волокон или на технологии коммутации длины волны. Адресные устройства ввода/вывода каналов дают возможность осуществлять маршрутизацию полностью на оптическом уровне и исключают, таким образом, необходимость преобразования оптического сигнала в электрический и затем обратно. Неплохим примером такой технологии являются решетка массива волноводов AWG. Общая схема устройства оптической кросс-коммутации OXC показана на рис. 11.

В этом устройстве оптические каналы с различными длинами волн, поступающие на входные порты, могут переключаться между всеми выходными портами произвольным образом. Такое устройство может быть дополнено управляемым, позволяющим осуществлять селективную маршрутизацию по длине волны.



Рисунок 11 - Канал с длиной волны ?i с любого входного порта может быть перенаправлен на любой выходной порт


Рисунок 12 - Пространственное перераспределение длин волн


.8 Волновые разветвители


В системах WDM часто бывает необходимо выделять отдельные информационные каналы с заданной длиной волны. В настоящее время имеются полностью пассивные оптические устройства, выполняющие эту функцию. Зависимость параметров от частоты, которую нужно избегать при производстве таких оптических компонентов, как широкополосные разветвители, в то же время может быть использована для производства компонентов с сильной зависимостью выходного сигнала от длины волны на входе, что и имеет место в случае волновых разветвителей.

В первых системах WDM волновые разветвители повсеместно использовались для разделения длин волн 1310 нм и 1550 нм, или для объединения сигнала накачки с длиной волны 980 нм или 1480 нм с входным сигналом с длиной волны 1550 нм в волокне, легированном эрбием, в усилителе EDFA.


2.9 Устройства компенсации дисперсии


Оптическое волокно и некоторые компоненты систем WDM обладают хроматической дисперсией. Показатель преломления волокна зависит от длины волны сигнала, что приводит к зависимости скорости распространения сигнала от длины волны (материальная дисперсия). Даже если показатель преломления не зависел 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, рис. 13. При большой протяженности линии связи это проявляется в том, что близко идущие импульсы начинают перекрываться, ухудшая сигнал. Устройства компенсации дисперсии DCD (Dispersion Compensation Devices) придают сигналу равную по величине, но противоположную по знаку дисперсию и восстанавливают первоначальную форму импульсов.

Наиболее распространены два типа устройств DCD - волокна, компенсирующие дисперсию DCF (Dispersion Compensating Fibers) и решетки, компенсирующие дисперсию DCG (Dispersion Compensating Gratings).


Рисунок 13 - Уширение импульсов, вызванное дисперсией, и его компенсация


2.10 Мультиплексоры и демультиплексоры


Каждый лазерный передатчик в системе WDM выдает сигнал на одной из заданных частот. Все эти сигналы (каналы) необходимо мультиплексировать (объединить друг с другом) в единый составной сигнал. Устройство, которое выполняет эту функцию, называется оптическим мультиплексором MUX (или OM). Аналогичное устройство на другом конце линии связи разделяет составной сигнал на отдельные каналы и называется оптическим демультиплексором DEMUX (или OD). В отличие от систем TDM, в которых подобные операции уплотнения каналов происходят во временной области, и основное внимание уделяется точности синхронизации приемника и передатчика, в системах WDM мультиплексированию и демультиплексированию подвергаются спектральные компоненты отдельных сигналов, характеристики которых всегда известны заранее.


Рисунок 14 - Мультиплексор и демультиплексор

Мультиплексорам DWDM (в отличии от более традиционных WDM) присущи две отличительные черты:

·использование только одного окна прозрачности 1550 нм, в пределах области усиления EDFA (1530-1560 нм);

·малые расстояние между мультиплексными каналами, 3,2 / 1,6 / 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 [6].


2.11 Оптические усилители


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 их преобразования в электрические сигналы и обратно, обладают низким уровнем шумов, а их рабочий диапазон длин волн практически точно соответствует окну прозрачности кварцевого оптического волокна (рис. 15). Именно благодаря появлению усилителей с таким сочетанием качеств линии связи и сети на основе систем DWDM стали экономически привлекательными.


Рисунок 15 - Зависимость коэффициента усиления EDFA от длины волны


Усилитель EDFA состоит из отрезка волокна, легированного эрбием. В таком волокне сигналы определенных длин волн могут усиливаться за счет энергии внешнего излучения накачки. В простейших конструкциях EDFA усиление происходит в достаточно узком диапазоне длин волн - примерно от 1525 нм до 1565 нм. В эти 40 нм умещается несколько десятков каналов DWDM . Обычные электронные повторители, чтобы восстановить уровень сигнала на протяженной линии связи, считывают сигнал с волокна, преобразуют его в электрические импульсы, усиливают их, преобразуют усиленный сигнал снова в оптическую форму и передают дальше по линии связи. В отличие от них, усилители EDFA полностью "прозрачны" - не зависят от используемых протоколов, форматов, скорости передачи и (в пределах указанных выше ограничений) длины волны оптического сигнала. Поскольку усилители EDFA независимы от сетевого протокола, их можно подключать непосредственно к различному оборудованию - коммутаторам ATM или компонентам протокола IP - не опасаясь, что они помешают друг другу. Такая гибкость - одно из основных преимуществ использования их в системах DWDM . Наряду с этим, при использовании усилителей EDFA требуется тщательно учитывать их неоднородное спектральное усиление и шум, вносимый ими за счет усиленной спонтанной эмиссии ASE (Amplified Spontaneous Emission). Сети с усилителями EDFA имеют многочисленные преимущества. Пропускную способность таких сетей можно наращивать экономично и постепенно, добавляя новые каналы по мере роста потребности. Применение усилителей EDFA позволяет создавать полностью оптические сети, в которых обработка сигнала электронными компонентами происходит только в начальной (где информация впервые попадает в сеть) и конечной (где информация достигает конечного получателя) точках как отдельный канал на отдельной длине волны, благодаря чему большая часть существующего сетевого оборудования непосредственно включается в состав систем DWDM. За счет этого начальная стоимость ввода систем DWDM в эксплуатацию достаточно низка [8].


2.12 Лазеры накачки


Важнейший компонент усилителя EDFA - лазер накачки. Он является источником энергии, за счет которой усиливается оптический сигнал. Энергия лазера накачки распределяется в усилителе EDFA между всеми оптическими каналами. Чем больше число каналов, тем большая требуется мощность накачки. В усилителях EDFA, рассчитанных на большое количество каналов, часто используется несколько лазеров накачки.


Рисунок 16 - Схема EDFA

2.13 Оптическое волокно


Стандартное волокно

Оптическое волокно, уложенное в кабель, является одним из важнейших компонентов волоконно-оптической сети. Волокно - та физическая среда, по которой осуществляется передача информации. Первые волокна, которые стали широко использоваться на линиях связи большой протяженности - одномодовые волокна со ступенчатым показателем преломления и нулевой дисперсией на длине волны 1310 нм (G.652 по классификации ITU), стандартные одномодовые волокна. В 1980-е годы было проложено более 80 миллионов километров кабеля с такими волокнами. Несмотря на рост скоростей передачи данных и появление технологии DWDM, позволяющей во много раз увеличить пропускную способность уже проложенного кабеля, интенсивность прокладки кабеля во всем мире в обозримом будущем не упадет.


Рисунок 17 - Дисперсионные характеристики волокон


Хотя стандартное волокно G.652 имеет нулевую хроматическую дисперсию на длине волны 1310 нм, его дисперсия на длине волны 1550 нм достаточно высока (18 пс/нм*км). На первый взгляд, это несовместимо с рабочим диапазоном EDFA (область 1550 нм). Однако недавние исследования показали, что передача каналов DWDM умеренной скорости по волокну G.652 может происходить на значительные расстояния без потери качества сигнала. Во многом это достигается за счет того, что высокая дисперсия на длине волны 1550 нм может быть компенсирована с помощью отрезка специального волокна или других устройств компенсации дисперсии [1].

Волокно со смещенной дисперсией

Производители волокна разработали волокно со смещенной дисперсией (G.653 по классификации ITU), которое имеет нулевую дисперсию на длине волны около 1550 нм. На этой длине волны затухание ниже, чем на 1310 нм, а потому работа в окне 1550 нм более предпочтительна, особенно для линий связи большой протяженности. Однако, волокно со смещенной дисперсией не является безусловно лучшим для передачи каналов DWDM. Показатель дисперсии достаточно резко изменяется при отдалении от длины волны нулевой дисперсии, из-за чего приходится отдельно компенсировать дисперсию каждого канала.

Волокно с смещенной дисперсией оказалось неудачным при передаче составного сигнала DWDM. При передаче по каналу связи составного сигнала DWDM необходимо вводить в волокно сигнал очень большой мощности, из-за чего в волокне начинают проявляться нелинейные эффекты. В волокне со смещенной дисперсией влияние эффекта четырехволнового смешения FWM ограничивает использование длин волн, близких к длине волны нулевой дисперсии 1550 нм. Следует отметить, что эффект FWM можно уменьшить, если передавать составной сигнал DWDM на длинах волн, достаточно удаленных от длины волны 1550 нм в одну или другую сторону. Однако, при этом становится невозможно использовать любые длины волн из частотного плана ITU.



Рисунок 18 -Типичные значения дисперсии для различных типов оптических волокон


Рисунок 19-Типичные профили коэффициента преломления для одномодовых оптических волокон


Волокно с ненулевой смещенной дисперсией

Для подавления нелинейных эффектов, и особенно FWM, были разработаны волокна, в которых длина волны нулевой дисперсии выведена из рабочего диапазона усилителей EDFA (1530-1565 нм) за счет специальных профилей показателя преломления (рис. 19) - волокна с ненулевой смещенной дисперсией (G.655 по классификации ITU). В пределах рабочего диапазона EDFA волокно G.655 имеет небольшую, хорошо контролируемую хроматическую дисперсию (от более чем 3 пс/нм*км на 1530 нм до менее чем 0,7 пс/нм*км на 1560 нм). Такого значения дисперсии вполне достаточно, чтобы подавить FWM - при этом еще возможна передача со скоростью по меньшей мере 2,5 Гбит/с на канал на расстояния порядка 1000 км. Волокна G.655 наилучшим образом подходят для использования в системах DWDM. Для нейтрализации эффекта FWM можно также увеличивать промежутки между каналами DWDM или использовать неравномерные промежутки. Однако, это вносит ограничения на использование длин волн из частотного плана ITU [1].

Волокна с большим эффективным сечением

Дальнейшее подавление нелинейных эффектов возможно за счет увеличения эффективной площади сечения сердцевины волокна, в которой сосредоточена основная часть мощности сигнала, при сохранении одномодового режима распространения света. Дело в том, что нелинейные эффекты зависят не от полной мощности сигнала, а от его интенсивности - то есть мощности, приходящейся на единицу площади эффективного поперечного сечения волокна [1].



3. Промышленные системы DWDM


.1 Стандартные длины волн передачи


Для того, чтобы компоненты систем WDM были взаимозаменяемы и могли взаимодействовать между собой, в системах WDM необходимо использовать стандартный набор частот генерации лазеров. Всеми вопросами, связанными со стандартизацией систем WDM занимается международный орган стандартизации - сектор стандартизации телекоммуникаций Международного союза электросвязи ITU-T (International Telecommunications Union, ITU) в рамках исследовательской группы SG15 по транспортным сетям, системам и оборудованию (Study Group 15 on Transport Networks, Systems and Equipment). Спецификации ITU-T G.692 по оптическим интерфейсам для многоканальных систем с оптическими усилителями определяет стандартный набор частот - частотный план систем WDM.

Частотный план ITU - это набор стандартных частот ? на основе базовой частоты 193100 ГГц. Стандартные частоты располагаются выше и ниже этой частоты с частотным интервалом в 50 ГГц. В табл. 1 частотный интервал составляет 100 ГГц. Для каждой частоты дана соответствующая длина волны ? (? = c ? , c=299792500 м/с). Провайдерам услуг связи рекомендуется использовать оптические частоты в соответствии с частотным планом ITU.



Таблица 1 - Частотный план ITU


3.2 Цепь "точка-точка"


Наиболее популярным применением DWDM на первых этапах жизненного цикла этой технологии является создание сверхдальних высокоскоростных магистралей (Ultralong Haul), в которых применяется топология цепь "точка-точка" (рис. 20):


Рисунок 20 - Цепь "точка-точка"


Для организации такой магистрали достаточно в ее конечных точках установить терминальные мультиплексоры DWDM, а в промежуточных точках - оптические усилители, если этого требует расстояние между конечными точками. Терминальный мультиплексор включает собственно блок мультиплексирования-демультиплексирования, выходной (Booster, B) и предварительный (Pre-amplifier, P) усилители, а также набор транспондеров (Transponder, T), преобразующих входные сигналы от источников, длина волны которых не соответствует частотному плану мультиплексора, в волны требуемой длины. В тех случаях, когда некоторое подключаемое к сети DWDM устройство способно вырабатывать сигнал на волне одной из частот, поддерживаемых мультиплексором DWDM (плана ITU-T G.692 или частного плана производителя) транспондеры не используются. В этом случае говорят, что подключаемое к сети DWDM устройство имеет "окрашенный" интерфейс. В рекомендации ITU-T G.692 определены три типа усилительных участков, то есть участков между двумя соседними мультиплексорами DWDM:

·L (Long) - участок состоит максимум из 8 пролетов ВОЛС и 7 оптических усилителей, максимальное расстояние между усилителями до 80 км при общей максимальной протяженности участка 640 км;

·V (Very long) - участок состоит максимум из 5 пролетов ВОЛС и 4 оптических усилителей, максимальное расстояние между усилителями до 120 км при общей максимальной протяженности участка 600 км;

·U (Ultra long) - участок без промежуточных усилителей длиной до 160 км.

Ограничения на количество пассивных участков и их длину связаны с некоторой деградацией оптического сигнала при его оптическом усилении - хотя оптический усилитель EDFA восстанавливает мощность сигнала, но не полностью компенсирует эффект хроматической дисперсии (то есть распространения волн разной длины с разной скоростью, из-за чего сигнал на приемном конце волокна "размазывается"), а также такие нелинейные эффекты как рамановское рассеивание, четырехволновое смешение и нестабильность модуляции. Поэтому для построения более протяженных магистралей необходимо между усилительными участками устанавливать мультиплексоры DWDM, выполняющие регенерацию сигнала за счет его преобразования в электрическую форму и обратно, то есть работающие по принципу O-E-O. Ситуацию частично улучшают специальные компенсаторы дисперсии, но полностью восстановить качество сигнала они не могут. Для уменьшения нелинейных эффектов в системах DWDM применяется также ограничение мощности сигнала, передаваемого по длинной линии. В приведенной выше схеме дуплексный обмен между абонентами сети происходит за счет однонаправленной передачи всего набора волн по двум волокнам. Существует и другой вариант работы сети DWDM, когда для связи узлов сети используется одно волокно. Дуплексный режим достигается за счет двунаправленной передачи оптических сигналов по волокну - половина волн частотного плана передают информацию в одном направлении, а половина - в обратном [2].

3.3 Цепь с промежуточными подключениями

Естественным развитием предыдущей топологии является построение сети, в которой промежуточные узлы выполняют функции мультиплексоров ввода-вывода (рис. 21).


Рисунок 21 - Цепь с промежуточными подключениями


Оптические мультиплексоры ввода-вывода (OADM) могут вывести из общего оптического сигнала волну определенной длины и ввести туда сигнал этой же длины волны, так что спектр транзитного сигнала не изменится, а соединение будет выполнено с одним из абонентом, подключенных к промежуточному мультиплексору. OADM может выполнять операции ввода-вывода волн оптическими средствами или с помощью промежуточного преобразования в электрическую форму. Обычно полностью оптические (пассивные) мультиплексоры ввода-вывода могут отводить небольшое число волн, так как каждая операция вывода требует последовательного прохождения оптического сигнала через оптический фильтр, который вносит дополнительное затухание. Если же мультиплексор использует электрическую регенерацию сигнала, то количество выводимых волн может быть любым в пределах имеющегося набора волн, так как транзитный оптический сигнал предварительно полностью демультиплексируется [7].


3.4 Кольцо


Кольцевая топология обеспечивает живучесть сети WDM за счет наличия резервных путей. Методы защиты трафика, применяемые в WDM, аналогичны методам SDH (хотя в WDM они пока не стандартизованы). Если какое-либо соединение защищается, то между его конечными точками устанавливаются два пути - основной и резервный. Мультиплексор конечной точки сравнивает два сигнала и выбирает сигнал лучшего качества (или сигнал по умолчанию).


Рисунок 22 - Кольцевая топология

3.5 Ячеистая топология


По мере развития сетей WDM в них все чаще будет применяться ячеистая топология, которая обеспечивает существенно большую гибкость, производительность и отказоустойчивость, чем остальные топологии. Однако для реализации ячеистой топологии необходимо наличие оптических кросс-коннекторов (OXC), поддерживающих произвольную коммутацию между оптическими сигналами, передаваемыми волнами различной длины (а не только добавление и вывод волн из общего транзитного сигнала, как это делают мультиплексоры ввода-вывода). Оборудование такого класса сравнительно недавно появилось на рынке, причем пока не все ведущие производители имеют его в своих линейках продуктов, что затрудняет построение ячеистых сетей WDM.


Рисунок 23 - Ячеистая топология


На сегодняшний день на рынке телекоммуникационного оборудования DWDM представляют несколько фирм [2].


3.6 Основные проблемы


Появление технологии DWDM, как и любой новой технологии, одновременно со значительными преимуществами принесло и новые проблемы. Основной проблемой для операторов современных систем DWDM является их надежная и стабильная работа. Очень важным становится контроль качества оптических характеристик и поведения

системы, начиная от производства компонентов и завершая этапом системной интеграции. Такой контроль гарантирует ввод системы DWDM в эксплуатацию с расчетными параметрами и длительную и устойчивую ее работу.

Рассмотрим основные факторы, ограничивающие производительность систем с временным мультиплексированием TDM, поместив их на плоскости параметров время-мощность, рис. 24


Рисунок 24 - Основные факторы, ограничивающие характеристики систем TDM


По оси мощности отложены такие параметры как мощность лазера, потери в волокне и потери, вносимые компонентами. Вдоль другой оси отложены параметры, связанные со временем. Это - поляризационная модовая дисперсия PMD волокна, хроматическая и модовая (для многомодовых волокон) дисперсия, а также нестабильность сигнала и скорость передачи. На пересечении осей появляются новые параметры, требующие учета: глубина модуляции лазера, нелинейность волокна, относительная интенсивность шума RIN (Relative Intensity Noise) и коэффициент ошибок BER (Bit Error Rate). Мультиплексирование по длине волны добавляет в пространство параметров новое измерение - длину волны - и намного усложняет представление основных параметров систем WDM, рис. 25

Вдоль оси длин волн отложены следующие параметры: стабильность спектра, спектральный диапазон усилителя EDFA, центральная длина волны и ширина полосы пропускания. На пересечении параметров времени и длины волны располагаются: девиация частоты (чирпирование) лазера, хроматическая дисперсия, стабильность оптической частоты и фазовые шумы (фазовая автомодуляция и перекрестная фазовая модуляция). Совместное же влияние длины волны и мощности проявляется в таких явлениях, как: усиленное спонтанное излучение ASE, усиление EDFA, перекрестные помехи, четырехволновое смешение FWM и вынужденное комбинационное рассеяние (рассеяние Рамана). И, наконец, картину завершает вынужденное рассеяние Бриллюэна-Мандельштама, рис. 25). Хотя технология WDM и повышает эффективность сетей, увеличивая полосу пропускания и количество каналов, ее применение требует тщательной подготовки. На этапах планирования, разработки, производства и ввода систем WDM в эксплуатацию, все эти факторы должны быть рассмотрены и учтены в должной мере.


Рисунок 25 - Основные факторы, ограничивающие характеристики систем WDM

3.7 Основные параметры систем WDM


Значения основных параметров системы отличаются от соответствующих значений параметров отдельных компонентов. Поэтому после того, как система WDM полностью смонтирована, необходимо заново измерить значения всех ее параметров. Влияние характеристик отдельных компонентов на характеристики линии связи предсказать достаточно сложно, поскольку они в разных случаях могут усиливать, ослаблять или полностью компенсировать друг друга в зависимости от условий окружающей среды, расстояния до передатчика, оптических разъемов и соединительных шнуров.

Технические характеристики систем WDM определяются в первую очередь следующими основными характеристиками отдельных компонентов:

Мощность и стабильность лазерного передатчика. Чем выше эти параметры, тем больше допустимая дальность линии связи. Однако мощность сигнала не должна быть настолько большой, чтобы стало проявляться негативное влияние нелинейных явлений в волокне. Число каналов. Полная полоса пропускания системы определяется произведением числа каналов на скорость передачи по каналу. Например, система с 40 каналами и скоростью передачи по каждому каналу 2,5 Гбит/с (STM-16) имеет полную полосу пропускания 100 Гбит/с.

Частотный интервал между каналами. В частотном плане ITU-T стандартный частотный интервал между каналами составляет 100 ГГц (около 0,8 нм по длине волны). В настоящее время рассматриваются предложения по стандартизации частотного плана с расстоянием 50 ГГц (около 0,4 нм) и даже 25 ГГц Скорость модуляции лазерного передатчика. На линиях связи большой протяженности в настоящее время используются скорости передачи (модуляции) 2,5 Гбит/с (STM-16) и 10 Гбит/с (STM-64). Скорость передачи в сетях связи городского и регионального масштабов обычно намного меньше.

Коэффициент усиления EDFA. Стандартные усилители EDFA в пределах рабочего диапазона (шириной 40 нм) имеют типичный коэффициент усиления 30-40 дБ для слабых сигналов. Коэффициент усиления приемника должен быть максимально высоким и стабильным.

Характеристики оптического волокна Тип и характеристики оптического волокна сильно влияют на такие параметры системы, как скорость передачи, дисперсия и максимально возможное число каналов.

Эти параметры описывают основные характеристики системы WDM, однако для полного изучения системы требуется принимать во внимание и другие факторы [8].




4. Анализ увеличения пропускной способности и экономической эффективности систем WDM


.1 Технология WDM в городских сетях


Применение технологии WDM на уровне городских сетей дает провайдерам значительную гибкость, которая позволяет им предлагать услуги для различных секторов рынка. Прозрачность оптической передачи позволяет осуществлять локальную связь по существующим протоколам (IP, Ethernet и т. д.) с добавлением защиты на уровне линий SONET/SDH. Затраты на расширение сети достаточно низки, так как оборудование WDM для коротких городских линий связи значительно дешевле, чем намного более сложное оборудование для линий связи большой протяженности.

Нельзя сказать, что системы DWDM городского масштаба обязательно проще, чем их аналоги на линиях высокой протяженности. Для локальных сетей связи намного важнее гибкость. При их проектировании необходимо предусматривать как можно большее число возможных конфигураций с возможно меньшей зависимостью от применяемых протоколов передачи. Огромное значение имеют также соответствующие средства управления, которые должны позволять реализовывать эту гибкость просто, быстро и экономично.

Установка системы WDM городского масштаба не подразумевает обязательного отказа от существующих сетей SONET/SDH: они могут существовать параллельно, причем определенные части систем DWDM могут передавать трафик SONET/SDH.

Более того, для эффективного использования полосы пропускания систем WDM трафик SONET/SDH, IP или ATM в оригинальном формате, можно передавать по различным каналам. Системы WDM городского масштаба позволяют также передавать трафик таких протоколов, как Gigabit Ethernet, FDDI и ESCON. Хотя передавать «неэффективно использующие время» сигналы типа Gigabit Ethernet в их оригинальном формате по каналам WDM высокой протяженности не всегда экономично, иногда имеет смысл это делать для коротких дистанций, типичных для городских сетей связи.

При достижении участками сети, использующими SONET/SDH, максимальной загрузки их можно постепенно заменять линиями DWDM. При этом возможно как сохранить старые каналы SONET/SDH, так и предложить новые услуги с низкими дополнительными издержками. Пропускная способность систем WDM может расти до тех пор, пока остаются свободные каналы.

Хотя линии городских систем DWDM имеют относительно небольшую протяженность, в них чаще всего приходится использовать линейные оптические усилители (обычно EDFA). Так как наличие или отсутствие усилителей EDFA в линии связи определяет ее стоимость, сети DWDM городского масштаба обычно подразделяют на две группы: магистральные (междуофисные) сети и сети доступа.

Магистральные линии связи обычно имеют протяженность более 50 км, и для них типичны оптические и технические ограничения систем такой протяженности. При этом требования к их гибкости остаются высокими. Например, они могут использоваться провайдерами для предоставления высококачественных услуг связи. Хотя для линий такой протяженности часто требуются линейные оптические усилители, они могут быть достаточно экономичными при работе на низких скоростях передачи, что снижает стоимость таких систем.

Короткие линии связи городских сетей доступа имеют множество преимуществ. Для них становятся не нужными усилители EDFA, что дает ощутимую экономию средств.

Отсутствие усилителей EDFA приводит к существенному снижению требований к характеристикам сигнала, в частности, точности длины волны. Соответственно, упрощается выбор, тестирование и техническая поддержка компонентов (хотя для этих компонентов вносимые и другие потери могут оказаться даже более критичными).

Кроме этого нелинейные явления в компонентах и волокне перестают вызывать какие-либо проблемы. Наконец, при отсутствии усилителей EDFA можно увеличить число каналов и/или расстояние между ними за счет применения длин волн за пределами рабочего диапазона усилителей EDFA и еще больше снизить требования к качеству компонентов. Конфигурация и набор оборудования для городских сетей доступа за счет их простоты, могут достаточно сильно отличаться от сетей большой протяженности.

Городские системы DWDM часто имеют кольцевую топологию (либо в виде двух колец с противоположными направлениями передачи, либо в виде одного двунаправленного кольца), которая совместима с кольцевой топологией сетей SDH. Схемы мониторинга и защиты обеспечивают быстрое переключение каналов на резерв (за время порядка десятков миллисекунд) в случае выхода из строя какого-либо компонента или волокна.


Рисунок 26 - Городские сети

а) Кольцо TDM перегружено между узлами A и D ;

б) Рациональное решение - кольцо WDM


В кольцевой сети DWDM каналы добавляются и выделяются в произвольных точках кольца, поэтому балансировка каналов может быть затруднена, хотя из-за отсутствия усилителей EDFA она становится намного менее существенной. Кольцевая топология сети сама по себе также может приводить к определенным проблемам. Например, для доставки услуг кабельного телевидения в квартиры лучше всего подходят сети топологии типа «дерево». К счастью, для кольцевых сетей DWDM разработаны способы организации различных сетевых топологий («дерево», «точка-точка», широковещание и др.) за счет соответствующего использования большого числа доступных каналов в кольце.

Тем не менее, создание некоторых логических конфигураций сети может потребовать определенных изменений в физической сети.

Городская сеть WDM (рис.26 b) более экономична, чем традиционные линии связи SONET/SDH (рис.26 а). Сложность оборудования добавления / выделения каналов в сетях DWDM зависит только от характеристик этого канала, ему не приходится работать со всей информационной полосой линии связи. Кроме того, переход линии связи на технологию WDM и добавление новых услуг не нарушает передачу существующего трафика, что особенно важно при постоянных изменениях предоставляемых услуг [8].

Переход от электрической к полностью оптической сети может произойти раньше или позже, но в любом случае замена или дополнение одноканальной городской сети или городской сети TDM системами WDM дает намного больше, чем просто увеличение ее пропускной способности.

Передача сигналов в сетях WDM не ограничена определенными временными кадрами или протоколами, выбор которых до этого часто определялся возможностями используемых в сети систем передачи, а не удобством для пользователей. По сети WDM могут одновременно передаваться данные в самых разных форматах, в том числе аналоговые по своей сути потоки голоса и видео, в широком диапазоне скоростей. Удобные для пользователя протоколы - например, Ethernet - могут пропускаться прозрачно, без какой-либо трансформации сигнала, и в самой сети не нужно учитывать требования конкретного транспортного протокола.

Передачу информации в каждом канале и ее целостность можно резервировать индивидуально, в соответствие с конкретными требованиями для каждого канала. В частности, можно ограничиться существующими схемами резервирования на основе технологии SONET/SDH, без каких-либо специальных дополнительных мер. Маршрутизация в сети может быть достаточно гибкой и поддерживать самые разные приложения, от организации линии связи топологии «точка-точка» до сбора данных и широковещательных приложений.

Помимо всех этих преимуществ, городские сети WDM во многих случаях очень просто соединяются с магистральными сетями с сохранением скоростей и протоколов передачи. Компоненты и системы для городских сетей WDM в последнее время становятся доступны: цена двухволоконной между офисной линии связи составляет от 30 до 50 тыс. долларов США за канал, стоимость городских сетей доступа еще ниже.

Наряду с предложением новых услуг, переход к системам WDM должен обеспечивать клиенту все те механизмы резервирования, которые предусмотрены в сетях SONET/SDH. Для этого требуется тщательное всестороннее планирование сети, основными факторами при котором является цена, функциональность и возможность расширения сети в будущем [8].


4.3 Практический пример


Городские сети и сети доступа являются наиболее быстрорастущим сегментом глобальной сети связи. С учетом ежегодного удвоения интернет-трафика и появления новых видов информационных услуг перед оператором связи неизбежно встают следующие стратегические вопросы:

Как обеспечить рост пропускной способности сети без перерыва в обслуживании?

Как предоставить абонентам новые виды услуг и максимальное удобство пользования этими услугами?

Как агрегировать однородные и разнородные потоки от цифровых систем передачи (ЦСП)?

Если кабельная инфраструктура сети построена с запасом и имеется большое количество не используемых, так называемых темных, волокон, то задача может быть решена очень просто: по мере необходимости к темным волокнам подключается активное оборудование и за счет передачи информации по новым волокнам расширяется пропускная способность сети связи. Но что делать, если запас темных волокон подошел к концу или если они проложены не там, где необходимо увеличить пропускную способность сети? Простой путь решения возникшей задачи - прокладка нового кабеля и увеличение количества одновременно передаваемых потоков информации за счет подключения все новых и новых волокон - бесперспективен, как и любой другой экстенсивный путь развития сети связи. В условиях сильной конкуренции и ценового давления, когда тарифы снижаются, для обеспечения прибыльности своей деятельности операторы связи должны снижать операционные и капитальные издержки. Но без применения передовых решений добиться снижения затрат невозможно. Именно поэтому стоит внимательно изучить новую для российских операторов связи перспективную технологию WDM. При правильном планировании и поэтапном вводе в эксплуатацию элементов сети данная технология позволяет решить все проблемы дальнейшего развития сети и защиты инвестиций.


4.3.1 Предоставление дополнительных потоков Е1 одному из клиентов

Рассмотрим сеть, объединяющую три клиентских узла с центральным узлом. Всем клиентам предоставляется поток SDH уровня STM-1. Для этого используется кольцо SDH уровня STM-1, создаваемое путем последовательного объединения центрального и абонентских узлов пара- ми волокон (рис. 27). Предположим также, что сеть STM-1 полностью загружена, а заказчик, обслуживаемый узлом B, запросил дополнительно 10 потоков E1. Предположим, что дополнительные волокна есть везде, кроме участка между центральным узлом и узлом C (рис 27).


Рисунок 27 - Структура типичной сети по обслуживанию трех клиентов потоком STM-1 одним центральным узлом


Оператор связи может решить задачу предоставления клиентскому узлу В запрошенных ресурсов несколькими способами.

. Увеличить пропускную способность системы SDH до уровня STM-4.

. Наложить параллельно существующему кольцу новое кольцо STM-1, проложив дополнительный кабель между центральным узлом и клиентским узлом С.

. Наложить параллельно существующему кольцу новое кольцо STM-1, разместив между центральным узлом и узлом С WDM- оборудование, использующее имеющуюся пару волокон.

Решение 1. Увеличение пропускной способности системы SDH до уровня STM-4

Это решение не требует использования дополнительных волокон, а увеличение пропускной способности достигается только заменой активного оборудования. В частности, потребуется выполнить следующее.

Заменить оборудование всех четырех узлов новым оборудованием уровня STM-4, при этом возможно использование старых систем электропитания и шкафов.

Установить дополнительные карты E1 в центральном узле и узле В.

Стоимость оборудования и всего решения приведена в таблице 2.


Таблица 2 - Сводная таблица стоимости при апгрейде кольца до уровня STM-4


Решение 2. Второе кольцо STM-1 с прокладкой кабеля.

Суть этого решения - прокладка дополнительного кабеля на участке от центрального узла до клиентского узла С. После этого в распоряжении оператора связи появляется пара волокон, объединяющая все узлы в но- вое кольцо, которое используется для создания второй системы SDH уровня STM-1.

Это решение требует выполнить следующее:

Проложить оптический кабель на участке между центральным узлом и узлом C (рис. 28).

Установить дополнительное STM-1 оборудование на центральном узле.

Установить на узле В дополнительные карты E1.

Стоимость второго решения существенно зависит от того, имеется ли в канализации место для дополнительного кабеля, или необходимо строить новую канализацию.

Рисунок 28 - Структура сети по обслуживанию трех клиентов двумя потоками STM-1 по четырем волокнам


Чаще встречается ситуация, когда в канализации места нет. Стоимость решения в этом случае приведена в таблице 3. В таблице приведена усредненная оценка стоимости строительства. Реально затраты на строительство могут варьироваться в очень широких пределах в зависимости от выбранной технологии строительства и местных условий.


Таблица 3 - Сводная таблица стоимости при введении второго кольца STM-1 с прокладкой кабеля и строительства новой трассы


Ситуацию, когда у оператора есть возможность проложить дополнительный кабель в кабельную канализацию, можно назвать удачной для оператора. В этом случае издержки складываются из стоимости работ, оцениваемой в среднем как 2-2,5 долл. за метр прокладки оптического кабеля (ОК) до 16 волокон с установкой одной муфты (средняя цена работ по Москве), и стоимости ОК (оценка 0,800-1 долл. за метр) (данные строительных телекоммуникационных компаний Москвы). Стоимость решения в этом случае приведена в таблице 4.


Таблица 4 - Сводная таблица стоимости при введении второго кольца STM-1 с прокладкой кабеля по старой трассе


Решение 3. Использование WDM

Третий путь решения проблемы - создание второго кольца SDH, использующего на участках от центрального узла до узла А и между узлами А-В и В-С имеющиеся свободные волокна, а на участке от центрального узла до абонентского узла С оборудование спектрального уплотнения WDM и два канала на разных длинах волн.

Реализовать систему WDM на участке от центрального узла до узла С можно несколькими способами. Для примера рассмотрим два варианта.

Вариант А. Первое кольцо SDH уровня STM-1 первоначально работало на длине волны 1310 нм, и поэтому целесообразно по возможности оставить его без изменений. Дополнительное кольцо STM-1 на участке от центрального узла до абонентского узла С будет работать на длине волны 1550 нм, а на остальных участках - на длине волны 1310 нм с использованием свободной пары волокон. Следовательно, в узле С необходимо установить преобразователи длины волны. Кроме того, в центральном узле и абонентском узле С необходимо установить мультиплексоры, объединяющие две длины волны (рис. 29).

Рисунок 29 - Структура сети по обслуживанию трех клиентов двумя потоками Е1 с использованием WDM


Стоимость данного решения приведена в таблице 5.

Цены на WDM-оборудование взяты у отечественного производителя. В комплект WDM входят несколько транспондеров и комплекты мультиплексоров / демультиплексоров.


Таблица 5 - Сводная таблица стоимости при использовании WDM


Вариант Б. Этот вариант отличается от рассмотренного выше только одним: вместо оборудования (мультиплексоры и транспондеры) WDM на две длины волны 1300/1550 нм используется оборудование DWDM.

Стоимость этого решения приведена в таблице 6.


Таблица 6 - Сводная таблица стоимости при использовании DWDM


.3.2 Сравнение вариантов решения задачи

Рассмотрев возможные решения задачи предоставления дополнительных потоков Е1 одному из клиентов, мы оценили их стоимость (таблица 7).


Таблица 7 - Сравнение вариантов решения задачи


Наиболее экономичным оказалось решение , использующее двухволновое спектральное уплотнение - WDM 1300/1550 нм (26 000 долл.). Наихудшим - решение, требующее прокладки кабеля в грунт (141 000 долл.). При удачном, но редко встречающемся стечении обстоятельств, когда имеется свободное место в канализации, довольно экономичным является решение, основанное на прокладке кабеля в канализацию. Следует отметить, что, хотя стоимость является важнейшим критерием, при выборе оптимального решения необходимо принимать во внимание и другие характеристики сравниваемых решений, приведенные ниже. К ним относятся:

время реализации;

сетевой ресурс;

масштабируемость, т.е. потенциал дальнейшего наращивания пропускной способности;

универсальность (т.е. способность передавать разнородные потоки информации).

По масштабируемости и универсальности решения нет равных исполь- зованию технологии DWDM. Прозрачность WDM-оборудования к разнообразным протоколам передачи позволяет организовать между узлами передачу любого трафика (от аналогового видео- до цифрового интернет-трафика), причем любое оборудование, например ATM и IP-коммутаторы, может напрямую подключаться к WDM-оборудованию без предварительной инкапсуляции в SDH фреймы. Потенциальная возможность увеличения числа спектральных каналов до 80 и более делает решение на основе DWDМ неограниченно масштабируемым с практической точки зрения. Замена оборудования SDH является более дорогим решением, но обладает наибольшим сетевым ресурсом, так как обеспечивает передачу вдвое большего потока информации, чем все остальные решения. Поэтому, если ожидается быстрый рост телефонного трафика при незначительной потребности в передаче других типов информации, это решение может оказаться оптимальным. Анализ ведущей консалтинговой фирмы RHK показывает, что новые поколения SDH- и WDM-оборудования являются наиболее быстрорастущими сегментами рынка телекоммуникационного оборудования на Западе, конкурирующими между собой в небольших однородных сетях. Как мы увидим из второго примера, в смешанных насыщенных сетях не существует альтернативы технологии WDM [9].

Заключение


В результате выполнения курсовой работы предложены три варианта предоставления дополнительных потоков Е1 в рассматриваемой конфигурации сети городского типа. Из них выбран вариант дополнительного введения WDM оборудования как самый оптимальный вариант. Последнее следует из проведенного анализа типичной ситуации нехватки пропускной способности оптоволоконных магистралей возникающих у городских операторов телефонной связи. На основании этого анализа сделан вывод, что при неопределенном росте трафика использование WDМ-технологии позволяет провайдеру гибко реагировать на рост потребностей заказчика, без риска вложить активы в волокна, которые долгое время могут оставаться темными (не рабочими). Кроме того, согласно проведенному анализу WDM-технология наиболее эффективна там, где требуется срочность и необходимо избежать долгосрочного строительства новой ВОЛС.

Вышеуказанный анализ был проведен на примере элемента сети с обслуживанием трех клиентов потоком STM-1 и одним центральным узлом. Вариант установки нового оборудования уровня STM-4, на перегруженном участке сети уровня STM-1 является не самым оптимальным по показателям: стоимости 72000$, для данной сети, двухкратной масштабируемости и средней универсальности. Прокладка оптического волокна не рентабельна по всем показателям, так как скорость строительства ВОЛС в городских условиях может быть всего 50-60 метров в неделю с учетом задержек на решение организационных вопросов. Длительность строительства кольца ВОЛС протяженностью 70 километров займет 10 месяцев. При этом инсталляция дополнительных каналов в WDM-технологии с пусконаладкой занимает 2-3 недели. Для данного варианта сети стоимость составляет 36000$ с возможной масштабируемостью в 20 раз выше и наибольшей универсальностью.

Выше изложенные факты показывают, что выводы сделанные в данном курсовом проекте очевидны и в будущем многие операторы связи будут приходить именно к такому решению проблемы нехватки пропускной способности оптоволоконных магистралей.



Список использованных источников


1. Оптические линии связи // Новосибирск: Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики. - 2003. - (Рус.). - URL: #"justify">. Скляров О. К. Современные волоконно-оптические системы передачи, аппаратура и элементы. - М.: Солон-Р, 2001. - 240с.

. Основы оптоэлектроники / Суэмацу Я., Катаока С., Кисино К. и др. Пер. с яп. - М.: Мир, 1998. - 288 с., ил.

. Заславский К. Е. Волоконная оптика в системах связи и коммутации. Новосибирск, 1999. - 124 с.

. Иванов А. Б. Волоконная оптика: компоненты, системы передачи, измерения. - М.: Компания САЙРУС СИСТЕМС, 1999. - 672с.

. Семенов А. С. Интегральная оптика для систем передачи и обработки информации / А. С. Семенов, В. Л. Смирнов, А. В. Шмалько - М.: Радио и связь, 1990. - 224 с.

Убайдуллаев Р. Р. Волоконно-оптические сети. - М.: Эко-Трендз, 1998. - 270 с.

. Андре Жирар. Руководство по технологии и тестированию систем WDM. Пер. англ. под ред. А. М. Бродниковского , Р. Р. Убайдуллаева , А. В. Шмалько. М. : EXFO , 2001 .

. Гладышевский М.А. Волоконно-оптическая связь: Экономические перспективы использования WDM-технологии // Lightwave Russian Edition. 2004 , № 2 , С. 14-19 .


Введение промышленный мультиплексор уплотнение дисперсия Цена успеха в информационный век может измеряться емкостью сетевых магистралей или ее недостатком

Больше работ по теме:

КОНТАКТНЫЙ EMAIL: [email protected]

Скачать реферат © 2017 | Пользовательское соглашение

Скачать      Реферат

ПРОФЕССИОНАЛЬНАЯ ПОМОЩЬ СТУДЕНТАМ