Мультиплексирование и волновое уплотнение.

8.1. Виды мультиплексирования

Существует два основных вида мультиплексирования: временное и волновое.

Временное мультиплексирование основано на временном разделении каналов, передаваемых по очереди во время одного и того же интервала времени (тайм-слота) длительноостью 125 мкс. В свою очередь все эти интервалы поочередно и непрерывно передаются на оной и той же длине волны. Увеличение пропускной способности временного мультиплексирования производится делением тайм-слота на всё большее число каналов и, следовательно, уменьшением длительности отрезка времени, в течение которого передаётся сигнал данного канала.

Возможны следующие пути увеличения пропускной способности транспортной сети:

1) Прокладка новых кабелей

2) Использование электроники с большим быстродействием

3) Переход от электронных компонент к оптическим компонентам, параметры которых не зависят от скорости передачи

4) Использование волнового уплотнения

Разделение по длинам волн или технология WDM (Wavelength Division Multiplexing) возникло первоначально как две несущие в одном волокне.

С уменьшением и устранением водяных пиков поглощения в волокне количество одновременно передаваемых несущих существенно увеличилось

Первоначальный стандарт предполагал разделение по частоте в 100 ГГц (около 0.8 нм) между несущими в диапазоне от 1528 до 1570 нм.

Чем меньше шаг по частоте (или по длине волны), тем жёстче требования к лазеру. При шаге 0.2 нм лазер работает на пределе когерентности, и требуется дорогостоящее охлаждение лазера.

Существующие системы (см.табл. 8.1) могут перекрывать полосу от 1270 до 1610 нм. Например, грубая разреженная система CWDM, используя шаг в 20нм в волокне без водяного пика, позволяет организовать дополнительные каналы в сети доступа и снизить стоимость сети.

Таблица 8.1. Существующие системы WDM

Свойства технологии WDM:

1) Технология WDM позволяет во много раз увеличить поток передаваемой по одному и тому же волокну информации, оставляя без изменений большую часть имеющегося оборудования;

2) Каналы могут иметь различные протоколы, скорости, их не требуется синхронизировать, в каждом канале может быть применена технология временного уплотнения TDM;

3) Пропускную способность можно приближённо определять по формуле C = N x B, где N - число волн, а B - скорость на одной длине волны;

4) Каждый канал можно использовать независимо от других для различных видов трафика, что сообщает большую гибкость сети.

5) Можно строить не только различные физические топологии сети, но и виртуальные сети.

6) Все сигналы во всех каналах можно усиливать одним оптическим усилителем.

Международный союз электросвязи разработал стандартные частотные планы размещения каналов с разносом каналов 200, 100 и 50 ГГц. Реализация сеток частотного плана зависит от типа оптических усилителей, скорости передачи (2.5 или 10 Гбит/с) и влияния нелинейных эффектов. Равномерное распределение оптических каналов позволяет оптимизировать работу транспондеров, лазеров и т.п.

Сетка 50 ГГц позволяет эффективней использовать зону 1540-1560 нм.

С уменьшением межканального интервала возрастает влияние 4-х волнового смешения. Влияние ВКР зависит от произведения суммарной мощности на разность крайних частот. При уменьшении расстояния до 0.4 нм появляются ограничения по мультиплексированию STM-64 и выше, так как возникает перекрытие спектров соседних каналов, и накладываются жёсткие ограничения на лазеры. Имеет большое значение стабильность длины волны. Обычные EDFA работают в полосе 1530-1560 нм. Ведутся работы по созданию фтор-цирконатных ОУ, обеспечивающих стабильный коэффициент усиления во всей области 1530-1560 нм, тогда станет возможным мультиплексировать 40 каналов STM-64. В табл. 8.2 приведены примеры некоторых выпускаемых промышленностью систем WDM.

Таблица 8.2. Некоторые промышленные системы WDM

8.2. Увеличение числа каналов в существующей линии

Основной путь дальнейшего увеличения числа каналов состоит в расширении полос C и L (рис.8.1). C-полоса состоит из высокочастотной части (синяя полоса B) и низкочастотной части (красная полоса R). Получается схема плана на 102 канала с шагом 100 ГГц и 204 канала с шагом 50 ГГц. Основой взаимной совместимости оборудования разных производителей является стандартизация размещения каналов по Рекомендациям G.692 и G.694.

Рис.8.1. Полосы С и L

Некоторые сведения по системам WDM:

1) Шаг 25 ГГц позволяет разместить 401 канал, шаг 12.5 ГГц – 801 канал.

2) Реально существуют системы с 320 каналами.

3) Перекрываемая дистанция – до 4500 км.

4) Общая ёмкость на одно волокно – до 1.6-3.2 Тбит/с.

5) Лидерами производства являются Alcatel, Lucent, Nortel, Siemens (2.4- 3.2 Тбит/с).

6) Управление осуществляется по отдельному оптическому каналу.

7) Реализуются топологии точка-точка, ячеистые, кольцевые.

8) Число пролётов в секции может достигать 60.

9) Скорость передачи на одной несущей стремится к 40-160 Гбит/с.

10) Пока единой сети WDM нет нигде в мире, поэтому возможностью маршрутизации

потокового и пакетного трафика воспользоваться пока нельзя.

11) Стоимость WDM также пока слишком высока.

12) На больших скоростях сильно проявляется ПМД.

На рис.8.2 показана схема ввода сигналов в систему. Первоначальная волна может преобразовываться, чтобы соответствовать стандартной частотной сетке.

Рис.8.2. Схема ввода сигналов в систему.

Демультиплексирование может осуществляться разными способами: с помощью Брюллиеновских усилителей, интерференционных фильтров, дифракционных решёток, Брэгговских решёток и др. Схемы демультиплексирования на интерференционных фильтрах и дифракционной решётке показаны на рис. 8.3 и 8.4.

Рис. 8.3. Схема демультиплексора на интерференционных фильтрах

Рис. 8.4. Схема демультиплексора на дифракционной решётке

8.3. Увеличение пропускной способности систем CWDM и наложение DWDM на CWDM

Пропускная способность линий связи с системами CWDM может быть увеличена до 100 Гбит/с с помощью использования отдельных каналов со скоростью 10 Гбит/с и наложением DWDM.

Развитие WDM сначала шло по пути сокращения шага несущих, т.к. полоса ограничивалась полосой работы EDFA (1530-1560 нм), что вело к сокращению шага и удорожанию систем. Ликвидация водяного пика в районе 1383 нм и улучшение технологии ОВ расширило полосу ОУ с 30 до 340 нм, что позволило в 10 раз увеличить шаг несущих и существенно удешевить фильтры. Увеличить диапазон позволили волокна с нулевым водяным пиком ZWPF, LWPF (Рекомендация G.652 c). В стандартном же волокне не используется диапазон Е и помещаются максимум 12 каналов. В результате появилось уплотнение CWDM, использующее шаг 20 нм и дешёвые тонкоплёночные оптические фильтры. Рекомендация G.694.2 советует использовать 18 несущих с шагом 20 нм: 1270, 1290……..1610 нм. При передаче по стандартному волокну число волн ограничивается 8 длинами в диапазоне от 1470 до 1610 нм.

Обычное CWDM содержит 16-18 каналов по 2.5 Гбит/с, трудности может представлять лишь большое затухание на краях диапазона. Шаг волны 20 нм, диапазон волн от 1310 до 1610 нм, волокно без водяного пика, длина участка – до 75 км, пропускная способность 16 х 2.5 = 40 Гбит/с.

Гибридная модель увеличения числа каналов заключается в следующем:

1) Используя план CWDM, размещают 8 каналов в диапазоне 1470- 1610 нм.

2) При необходимости один из каналов CWDM заменяется на 8 каналов DWDM,

при этом часть несущих DWDM попадают в переходную полосу фильтров CWDM. В результате только 4 волны могут быть заменены. В этом случае максимальное число каналов составит 4 канала CWDM + 28 каналов DWDM.

3) При замене фильтров CWDM на полосовые фильтры гибридный план выглядит так: несущие CWDM 1470, 1490,1510 нм + 64 несущих DWDM + несущая 1610 нм CWDM

Таким образом, при совместном использовании CWDM и DWDM сначала заполняются каналы CWDM, примыкающие к диапазону C (1470, 1490, 1590, 1610), а затем 16 каналов DWDM в C- диапазоне. При этом каждый канал используется самостоятельно, усилители не применяются, длина линии менее 70км. Скорость в каждом канале 2.5 Гбит/с. Лазеры в этом случае применяются дешёвые. Это позволяет снизить затраты на 35 -40 %.

Технология SWDM (Selective) – компромисс между SDH/SONET и DWDM – одни те же узлы кольца поддерживают одноканальную передачу на волне 1310 нм и DWDM в диапазоне 1550 нм (Lucent).

Грубое спектральное мультиплексирование всё шире применяется в сетях ГТС, удалённого доступа и СКТ, так как лазерные диоды для CWDM не требуют охлаждения (до 2.5 Гбит/с), и к пассивным компонентам не предъявляются жёсткие требования.

16 х 2.5 Гбит/с можно модернизировать на 7х10 Гбит/с + 12 х 2.5 Гбит/с, что в сумме составляет 100 Гбит/с. После передачи сигналов каналы DWDM отделяются от CWDM для компенсации дисперсии, так как лазеры DML 10 Гбит/с имеют низкую дисперсионную устойчивость.

На входы мультиплексора подаются оптические сигналы, соответствующие стандарту G.957, а выходные должны соответствовать G.692. Такое соответствие достигается с помощью транспондера, в котором осуществляется преобразование длины волны оптического сигнала в излучение на требуемой длине волны.

Усилители EDFA имеют большую вариацию к-та усиления ниже1540 нм, что ограничивает размер зоны каналов STM-64. Сетка 50 ГГц позволяет эффективно использовать зону 1540-1560 нм, но мультиплексирование каналов STM -64 очень затруднено. Требования к компонентам становятся очень жёсткими. Если длины волн передатчиков SONET/SDH и несущих в каналах мультиплексора различаются, то между ними устанавливается многоканальный конвертор. Если длины волн совпадают, конвертор не нужен.

Технология WDM может использоваться в гибридных оптико-коаксиальных сетях КТВ (канал TV на длине 1310 нм). Технология Ethernet-on-CWDM может использоваться для обеспечения клиентам доступа к сети Интернета со скоростями до 1 Гбит/с.

Существуют технологии мультиплексирования (табл.8.3):

• AWG – на основе диффракционной решётки на массиве волноводов (планарный оптический разветвитель);

• СG – на вогнутой дифференциальной решётке (интерференционный волновой фильтр);

• 3DO – на основе трёхмерного оптического мультиплексирования (плоская решётка, вогнутое зеркало);

• Перенастраиваемые оптические мультиплексоры ROADM c возможностью перенастройки длины волны в С-диапазоне.

Таблица 8.3. Сравнение технологий мультиплексирования

Состояние сетей сегодня:

• Основной средой передачи являются ОВ

• Основным транспортным средством являются системы СЦИ/SDH

• Технологии WDM и пакетные технологии используются в зависимости от конкретных условий

• Современные требования влекут целесообразность пакетных технологий, а они пока в основном электронные. Оптические технологии весьма эффективны и могут обеспечить терабитную пропускную способность.

• Сочетание оптики и SDH создаёт универсальную транспортную среду. Технология DWDM совместно с SDH может сыграть важную роль в технологии TDM over IP.

Технология DWDM предъявляет более жёсткие требования к источникам излучения чем SDH. При скоростях свыше 2.5 Гбит/с необходимо компенсировать дисперсию.

При малом числе каналов в совместном использовании можно применять одинаковые фильтры на тонких плёнках. Если число волн велико, применяются дорогие демультиплексоры на основе диффракционной решётки. Стоимость лазеров DWDM при скоростях 10 Гбит/с в 5 раз больше чем у CWDM со скоростью 2.5 Гбит/с.

Формально для систем WDM не важно, какие методы кодирования или формирования сигналов используются. При шаге 100 ГГц можно организовать 41 канал, при 50 ГГц - 81 канал, при 12.5 – 320 каналов. Если расширить диапазон до 191 ГГц, то при стабилизации длины волны можно организовать соответственно 101, 201 и 801 канал, но при этом требуются сверхширокополосные усилители.

Проблемой при использовании волнового уплотнения являются влияние 4-х волнового смешения, т.к. волны очень близки друг к другу. Проблему можно снизить использованием волокна NZDSF и неравномерным использованием частот в рамках полосы. Ограничение суммарной мощности преодолевается с помощью увеличения эффективности площади сечения волокна (волокно LEAF и др.) и применения упреждающей коррекции. Помехи от соседних каналов снижаются с помощью увеличения шага несущих; использования внешнего модулятора, уменьшающего уширение несущей; применением солитонной передачи и использованием процедуры интерливинга (перемежения каналов).

В настоящее время не существует единой сети WDM нигде, это значит, что нигде нельзя воспользоваться главным преимуществом WDM – возможностью маршрутизации трафика по длине волны и маршрутизации оптического пакетного трафика, а также технологией MPλS. Стоимость систем очень высока. Секция системы на основе STM-64 на 16 длин волн протяжённостью 500 км с тремя промежуточными мультиплексорами без ввода вывода стоит примерно 1.5 - 2 млн долларов.

В ближайших перспективах WDM переход на более плотную сетку (12.5 ГГц); расширение диапазона C, L и S; использование сверхширокополосных оптических усилителей (EDFA и Рамановские); использование оборудования SDH/SONET c увеличенной скоростью передачи 40/80/160 Гбит/с; применение солитонной передачи.