Основы технологии WDM. 13. Принципы построения транспортных сетей
 Скачать 2.14 Mb.
|
0,4 нм может ограничить возможность мультиплексирования каналов STM-64. Как видно из рисунка, мультиплексирование каналов STM-64 c интервалом 50 ГГц не допустимо, поскольку тогда возникает перекрытие спектров соседних каналов. Только если имеет место меньшая скорость передачи в расчете на канал (STM-4 и ниже), перекрытия спектров не возникает.типа используемых оптических усилителей (кремниевого или фтор-цирконатного); скорости передачи на канал - 2,4 Гбит/с (STM-16) или 10 Гбит/с (STM-64); влияния нелинейных эффектов. В-третьих, при интервале 50 ГГц требования к перестраиваемым лазерам, мультиплексорам и другим компонентам становятся более жесткими, что снижает число потенциальных производителей оборудования, а также ведет к увеличению его стоимости. Мультиплексоры DWDMМультиплексорам DWDM (в отличии от более традиционных WDM) присущи две отличительные черты:
Кроме этого, поскольку мультиплексоры DWDM рассчитаны на работу с большим числом каналов до 32 и более, то наряду с устройствами DWDM, в которых мультиплексируются (демультиплексируются) одновременно все каналы, допускаются также новые устройства, не имеющие аналогов в системах WDM и работающие в режиме добавления или вывода одного и более каналов в/из основного мультиплексного потока, представленного большим числом других каналов. Так как выходные порты/полюса демультиплексора закреплены за определенными длинами волн, говорят, что такое устройство осуществляет пассивную маршрутизацию по длинам волн. Из-за малых расстояний между каналами и необходимости работы с большим числом каналов одновременно, изготовление мультиплексоров DWDM требует значительно большей прецизионности по сравнению c WDM мультиплексорами (использующими обычно окна прозрачности 1310 нм, 1550 нм или дополнительно область длин волн в окрестности 1650 нм). Также важно обеспечить высокие характеристики по ближним (коэффициент направленности) и дальним (изоляция) переходных помех на полюсах DWDM устройства. Все это приводит к более высокой стоимости DWDM устройств по сравнению WDM.  На рисунке "а" показана типовая схема DWDM мультиплексора с зеркальным отражательным элементом. Рассмотрим его работу в режиме демультиплексирования. Приходящий мультиплексный сигнал попадает на входной порт. Затем этот сигнал проходит через волновод-пластину и распределяется по множеству волноводов, представляющих дифракционную структуру AWG (arrayed waveguide grating). По-прежнему сигнал в каждом из волноводов остается мультиплексным, а каждый канал остается представленным во всех волноводах. Далее происходит отражение сигналов от зеркальной поверхности и в итоге световые потоки вновь собираются в волноводе-пластине, где происходит их фокусировка и интерференция - образуются пространственно разнесенные интерференционные максимумы интенсивности, соответствующие разным каналам. Геометрия волновода-пластины, в частности расположение выходных полюсов, и длины волноводов структуры AWG рассчитываются таким образом, чтобы интерференционные максимумы совпадали с выходными полюсами. Мультиплексирование происходит обратным путем.Другой способ построения мультиплексора базируется не на одной а на паре волноводов-пластин, (рис. б). Принцип действия такого устройства аналогичен предыдущему случаю, за исключением того, что здесь для фокусировки и интерференции используется дополнительная пластина. DWDM мультиплексоры, являясь пассивными устройствами, вносят большое затухание в сигнал. Например, потери для устройства (рис. 1а), работающего в режиме демультиплексирования составляют 4-8 дБ, при дальних переходных помехах <-20 дБ, и полуширине спектра сигнала 0,05 нм. Транспондеры и трансиверы Для передачи данных на длине волны из сетки DWDM можно использовать два типа устройств - трансиверы и транспондеры DWDM. Трансиверы DWDM обладают различными форм-факторами и могут использоваться в пассивных решениях DWDM. В отличии от трансиверов, транспондеры позволяют преобразовать длину волны излучения оконечного устройства в длину волны DWDM для передачи в мультиплексор. На входы оптического мультиплексора поступают оптические сигналы, параметры которых соответствовуют стандартам, определённым рекомендациями G.692. Транспондер может иметь имеет разное количество оптических входов и выходов. Но если на любой вход транспондера может быть подан оптический сигнал, параметры которого определены рек. G.957, то выходные его сигналы должны по параметрам соответствовать рек. G.692. При этом, если уплотняется m оптических сигналов, то на выходе транспондера длина волны каждого канала должна соответствовать только одному из них в соответствии с сеткой частотного плана ITU. Применение оптических усилителейРазвитие технологии оптического усиления на основе EDFA сильно изменило методологию конструирования волоконно-оптических систем связи. Традиционные волоконно-оптические системы используют повторители-регенераторы, повышающие мощность сигнала, (рис. 3а). Когда длина между удаленными узлами начинает превосходить по условиям затухания сигнала максимальную допустимую длину пролета между соседними узлами, в промежуточных точках устанавливаются дополнительные регенераторы, которые принимают слабый сигнал, усиливают его в процессе оптоэлектронного преобразования, восстанавливают скважность, фронты и временные характеристики следования импульсов, и после преобразования в оптическую форму передают дальше правильный усиленный сигнал, в том же виде, в каком он был на выходе предыдущего регенератора. Хотя такие системы регенерации работают хорошо, они являются весьма дорогими и, будучи установленными, не могут наращивать пропускную способность линии.  На основе EDFA потери мощности в линии преодолеваются путем оптического усиления, (рис. 3б). В отличии от регенераторов, такое "прозрачное" усиление не привязано к битовой скорости сигнала, что позволяет передавать информацию на более высоких скоростях и наращивать пропускную способность до тех пор, пока не вступают в силу другие ограничивающие факторы, такие как хроматическая дисперсия и поляризационная модовая дисперсия. Также усилители EDFA способны усиливать многоканальный WDM сигнал, добавляя еще одно измерение в пропускную емкость.Хотя оптический сигнал, генерируемый исходным лазерным передатчиком, имеет вполне определенную поляризацию все остальные узлы на пути следования оптического сигнала, включая оптический приемник, должны проявлять слабую зависимость своих параметров от направления поляризации. В этом смысле оптические усилители EDFA, характеризуясь слабой поляризационной зависимостью коэффициента усиления, имеет ощутимое преимущество перед полупроводниковыми усилителями. В отличии от регенераторов оптические усилители вносят дополнительный шум, который необходимо учитывать. По этому наряду с коэффициентом усиления одним из важных параметров EDFA является коэффициент шума. Применение устройств ROADM Использование перенастраиваемого оптического мультиплексора ввода/вывода (ROADM) дает возможность гибкого развертывания и удаленного конфигурирования спектральных каналов. На любом узле сети ROADM возможно переключение состояния спектрального канала на ввод/вывод и сквозную передачу без прерывания действующих услуг. При работе с перестраиваемым лазером ROADM обеспечивает гибкое управление спектральными каналами. ROADM позволяют строить сети с несколькими кольцами или смешанные сеть: на основе технологии селекторного переключения спектральных каналов (WSS). Построение сетей DWDM Городские DWDM сети, как правило, строят с использованием кольцевой архитектуры, что позволяет применять механизмы защиты на уровне DWDM при скорости восстановления не более 50 мс. Возможно построение сетевой инфраструктуры на оборудовании нескольких поставщиков с дополнительным уровнем распределения на базе оборудования Metro DWDM. Этот уровень вводится для организации обмена трафиком между сетями с оборудованием разных фирм. В технологии DWDM минимальная дискретность сигнала - это оптический канал, или длина волны. Использование целых длин волн с емкостью канала 2,5 или 10 Гбит/с для обмена трафиком между подсетями оправдано для построения больших транспортных сетей. Но транспондеры-мультиплексоры позволяют организовать обмен трафиком между подсетями на уровне сигналов STM-4/STM-1/GE. Уровень распределения можно строить и на базе SDH-технологии. Но DWDM имеет большое преимущество, связанное с прозрачностью каналов управления и служебных каналов (например, служебной связи). При упаковке SDH/ATM/IP-сигналов в оптический канал структура и содержимое пакетов не изменяются. Системы DWDM проводят только мониторинг отдельных байтов для контроля правильности прохождения сигналов. Поэтому соединение подсетей по инфраструктуре DWDM на отдельно взятой длине волны можно рассматривать как соединение парой оптических кабелей. При использовании оборудования разных производителей, две подсети передачи данных одного производителя соединяют через DWDM-сеть другого производителя. Система управления, подсоединенная физически к одной подсети, может управлять и работой другой подсети. Если бы на уровне распределения использовалось SDH-оборудование, то это было бы невозможно. Таким образом, на базе DWDM сетей можно объединять сети разных производителей для передачи разнородного трафика. SFP (WDM, CWDM, DWDM) – ЧТО ЭТО? ДЛЯ ЧЕГО НУЖНЫ? Технологии спектрального уплотнения (WDM). Спектральное уплотнение основывается на методе уплотнения оптических каналов. Принцип данного метода заключается в том, что каждый информационный поток передается по одному оптическому волокну на разной длине волны (на разной несущей частоте), отстоящей друг от друга на расстоянии 20 нм.  С помощью специальных устройств – оптических мультиплексоров – потоки объединяются в один оптический сигнал, который вводится в оптическое волокно. На приемной стороне производится обратная операция – демультиплексирование, осуществляемая с применением оптических демультиплексоров. Это открывает поистине неисчерпаемые возможности как для увеличения пропускной способности линии, так и построению сложных топологических решений с использованием одного волокна.  При выборе количества каналов следует обратить внимание на тип используемого одномодового волокна! Например, в волокнах типа G.652B (волокно с водяным пиком на длине волны 1383 нм) на коротких длинах волн большие потери на излучение, в связи с этим допустимое расстояние передачи сокращается и количество спектральных каналов будет меньше требуемого. В системах Coarse WDM, в соответствии с рекомендацией МСЭ G.694.2 следует использовать не более 18 несущих с шагом 20 нм: 1270, 1290, 1310 … 1570, 1590, 1610, т.е. если общая требуемая ширина диапазона длин волн не превышает 340 нм. Следует учесть, что на краях такого широкого диапазона затухание достаточно велико, особенно в области коротких волн. Увеличить число каналов до 18 позволили так называемые волокна с нулевым водяным пиком (ZWPF, Zero Water Peak Fiber; LWPF, Low Water Peak Fiber), параметры которых определяет рекомендация ITU-T G.652.C/D. В волокнах данного типа устранен пик поглощения на длине волны 1383 нм и величина затухания на этой длине волны составляет порядка 0,31 дБ/км. Волокно G.653 оказалось непригодным для новой стремительно развивающейся технологии спектрального мультиплексирования WDM из-за нулевой дисперсии на 1550 нм, приводившей к резкому возрастанию искажений сигнала от четырехволнового смешения в этих системах. Наиболее приспособленным для плотного и высокоплотного WDM (DWDM и HDWDM) оказалось оптическое волокно G.655, а для разреженного WDM – недавно стандартизованное оптическое волокно G.656 Создание волокон без «водяного пика», позволило использовать в системах связи все волны в диапазоне от 1260 до 1625 нм, – т.е. там, где кварцевое оптическое волокно обладает наибольшей прозрачностью. ОСНОВНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ Мультиплексоры/демультиплексоры (MUX/DEMUX); позволяют суммировать и разделять оптические сигналы.OADM модули -мультиплексоры ввода/вывода;  позволяют выделить и добавить в волокно сигнал по определенным несущим частотам. В зависимости от поставленной задачи конфигурация мультиплексора/демультиплексора (Mux/Demux) определяется по следующим характеристикам: Двухволоконный мультиплексор (2 fiber) Одноволоконный мультиплексор (1 fiber (single fiber) или bidirectional) 4-х или 8-ми канальный мультиплексор (8 или16 длин волн), работающий на одном волокне 8-ми или 16-ти канальный, работающий на двух волокнах мультиплексор с двумя «общими» (COMMON) выводами для реализации «кольцевой» топологии Для топологий «Точка-Точка» или «Кольцо» необходима «попарная» (порты Tx–Rx) комплектация мультиплексоров – Mux/Demux Type I , Mux/Demux Type II Коннекторы – FC,SC,LC,ST,FA,SA Поставка Мультиплексоров возможна в следующих вариантах исполнения: Стоечные 19” 1RU В пластиковом корпусе (для монтажа на стену или в муфту) По виду разъема – LC, SC, проч. SFP (Small Form Factor Pluggable) трансиверы (SFP,SFP+, X2, XFP) – формируют и принимают оптические сигналы (определенных длин волн) в CWDM-системе; переводят сигнал из электрического в оптический и обратно. Модуль SFP объединяет в себе сразу передатчик (transmitter) и приемник (receiver). Поэтому он поддерживает одновременную передачу и прием данных по двум линкам в рамках единого канала. Еще со времен радио, такие устройства называются transceiver. Именно поэтому модули SFP называют трансиверами.  Каждый SFP трансивер работает по двум волокнам и, в отличие от стандартных двухволоконных трансиверов 1000Base LX, оперирует двумя разными длинами волн – широкополосный приемник работает с одной длиной волны и передатчик с другой. Для образования канала данных в системе SFP трансиверы комплектуются «попарно». Трансиверы так же отличаются по мощности сигнала (километражу), т.е работают на разные расстояния. Для более сильного уплотнения оптического сигнала используются «цветные» SFP модули, работающие в определенном диапазоне длин волн (CWDM). Такие SFP трансиверы предназначены для формирования оптических сигналов «основной несущей» с 1270 по 1610нм (шаг 20нм).  SFP Доступны SFP-модули, работающие как по одному, так и по двум волокнам с пропускной способностью 1.25, 2.5 и 4.25Gbps. Данные модули могут быть установлены непосредственно в коммутирующее оборудование практически любого производителя, делая возможной бесшовную интеграцию CWDM в существующую инфраструктуру. Один и тот же модуль может служить интерфейсом Gigabit Ethernet, Fibre Channel или SDH, что существенно добавляет гибкости решения. Также возможна установка CWDM SFP модулей в шасси медиаконвертеров. Использование шасси – наиболее гибкое решение, полностью исключающее проблемы несовместимости оборудования. Используя шасси, вы получаете на выходе стандартные порты 1000BASE-T Gigabit Ethernet, что позволяет отказаться от дорогостоящих коммутаторов с SFP-портами. Отдельное внимание стоит обратить на уплотнение каналов 10 Гбит/с. Еще три года назад не существовало трансиверов, работающих на скоростях 10 Гбит/с и поддерживающих длины волн частотной сетки систем разреженного спектрального уплотнения, в настоящее время такие модули появились, однако, их использование накладывает существенные ограничения на возможности системы, по сравнению с уплотнением каналов 1,25 Гбит/с и 2,5 Гбит/с. В настоящее время не существует лазеров, поддерживающих скорость 10 Гбит/с и работающих в диапазоне длин волн 1350-1450 нм, поэтому максимальное количество уплотняемых каналов 10 Гбит/с не может превышать 12 при использовании двух волокон стандарта G.652D. Помимо этого, при использовании каналов 10 Гбит/с необходимо учитывать, что максимальный оптический бюджет таких модулей в настоящий момент составляет не более 28 dBm, что соответствует дальности работы примерно в 80 километров по одномодовому волокну. В случаях, если необходимо уплотнить и передать более 12 каналов 10 Гбит/с, в т.ч. на расстояния больше 80 километров, используется оборудование DWDM. OADM модули -мультиплексоры ввода/вывода; позволяют выделить и добавить в волокно сигнал по определенным несущим. Основные свойства: Ввод/вывод одного канала Пассивная оптика Низкие вносимые потери для транзитных каналов Выделенная длина волны конечному пользователю Принципиально выделяются OADM модули одноканальные и двухканальные. Их отличие заключается в способности принимать и получать оптический сигнал от одного или двух мультиплексоров и физически обусловлено наличием одного или двух приемо-передающих блоков. Соответственно одноканальный OADM модуль имеет один приемо-передающий блок и способен работать только с одним мультиплексором в «одну сторону». Двухканальный OADM модуль имеет два приемо-передающих блока и способен работать «в две стороны» с двумя мультиплексорами / демультиплесорами. Приемо-передающий блок одноканального OADM модуля имеет четыре интерфейса: Com порт – получает сигнал со стороны мультиплексора Express порт – пропускает сигнал на другие элементы системы Add порт – добавляет в линию канал на определенной длине волны, Drop порт – извлекает из линии канал на определенной длине волны.  Ограничений по протоколам или ширине полосы такие устройства не имеют. Соответственно двухканальный OADM модуль обладает двумя дополнительными портами Add и Drop. В случае использования двухволоконной системы так же добавляются порты Com2 и Express2. Одноканальный OADM модуль работает в паре с одним SFP трансивером, двухканальный OADM – с двумя Терминально-транзитный модуль OADM (модуль drop/pass) отводит один канал из магистрали и направляет его к локальному порту. Остальные каналы пропускаются непосредственно к другим узлам сети. Одноканальный мультиплексирующий модуль OADM (модуль drop/add) имеет два локальных интерфейса. Первый отводит один канал из магистрали и направляет его к локальному порту, второй – добавляет этот канал обратно в магистраль в противоположном направлении. Такой модуль необходим при построении сети топологии «кольцо». Поставка OADM модулей возможна в вариантах исполнения: Стоечные 19” 1RU В пластиковом корпусе (для монтажа на стену или в муфту) Разъемы – LC, SC, проч. Основными системами спектрального уплотнения являются: - WDM ( Wavelength Division Multiplexing) - CWDM (Coarse Wavelength Division Multiplexing ) - DWDM Так что такое WDM ? Технология для добавления оптических сигналов с разными длинами волн, передающихся одновременно по одному волокну 2 и более сигнала разделяемых на дальнем конце по длинам волн. Наиболее типичные (2- канальный WDM) комбинируют длины волн 1310 нм и 1550 нм в одном волокне. Двух-канальный WDM (и трех канальный) может быть использован для быстрого и простого добавления дополнительной (или двух дополнительных) длин волн. Он очень прост для установки и подключения и очень недорогой. В большинстве случаев, WDM наиболее экономичное решение при нехватке волокна в кабеле, дающее выигрыш волокна 2 к 1 или 3 к 1 за счет объединения длин волн 1310 нм, 1550 нм и 1490 нм в одном волокне. SWDM В случае, когда требуется больше каналов для расширения существующей волоконно-оптической инфраструктуры, CWDM обеспечивает эффективное решение для оптических пролетов небольшой длины (до 80 км). CWDM может просто и быстро добавить до 18 дополнительных длин волн на стандартизованных ITU частотах. Она идеальна для сетей умеренных размеров с поперечными размерами до 100 км. Так как расстояния между длинами волн составляет 20 нм, то менее дорогие лазеры могут использоваться, что обеспечивает очень низкую стоимость. Системы CWDM, хотя и являются многоканальными, но не имеют никаких механизмов оптического усиления и ограничения в дальности определяются по каналу с максимальным затуханием. Более того, каналы из области от 1360нм до 1440 нм могут испытывать наибольшее затухание (от 1 до 2 dB/км) из-за водяного пика в этой области для некоторых типов оптического кабеля. Там где требуется высокая емкость или передача на большие расстояния, решения DWDM — предпочтительный метод для увеличения емкости волокна. С ее высоко-точными лазерами, оптимизированными для работы в окне 1550 нм (для уменьшения потерь), системы DWDM являются идеальным решением для более требовательных сетей. Системы DWDM могут использовать EDFA для усиления всех длин волн в DWDM окне и увеличение длины передачи до 500 км. Системы DWDM обычно ограничены по дальности 4-5 участками усиления из-за шумов усиленного спонтанного излучения (ASE, Amplified Spontaneous Emissions) в EDFA. Имеются средства моделирования, позволяющие точно определить сколько EDFA может быть установлено. На длинных участках (> 120 км) может создавать проблемы дисперсия, что требует установки модулей компенсации дисперсии. Полоса DWDM ограничена длинами волн в пределах от 1530 нм до 1565 нм диапазоном усиления EDFA. Типы решений: 1. Точка – точка. Добавление спектральной системы с топологией «точка-точка» в оптическую систему является простым и экономически выгодным решением проблемы нехватки волокон.  Системы с подобной топологией характерны в решении задач одновременной передачи большого числа потоков данных для увеличения количества предоставляемых сервисов (видео, голос и т.д.). При этом используются волокна уже существующей оптической транспортной сети. При этом режиме работы информация передается по каналам между двумя точками. Для успешной передачи данных на расстояние до 50-80 км необходимы мультиплексоры/демультиплексоры в тех узлах, где будет происходить объединение информационных потоков и последующее их разъединение.Соединение с ответвлениями Такая архитектура реализует передачу информации от одного узла к другому с промежуточными узлами на этом пути, где возможен ввод и отвод отдельных каналов с применением модулей OADM. Максимальное количество ответвлений определяется количеством дуплексных каналов передачи (например, 4 или  и оптическим бюджетом линии. При расчетах нужно помнить о том, что каждый OADM модуль вносит затухание, в результате чего общая протяженность тракта соответственно снижается. Оптический канал можно извлечь в любой точке тракта.В данном случае между двумя мультиплексорами / демультиплексорами устанавливаются OADM модули (двухканальные). При этом каждый двухканальный OADM модуль необходимо укомплектовывать двумя SFP трансиверами.  Точка с ответвлениями. Принципиальное отличие от первого варианта – отсутствие второго мультиплексора / демультиплексора. Таким образом, обмен сигналами происходит между центральным узлом связи и конечным оборудованием на разных участках линии. Такая архитектура представляется перспективной с экономической точки зрения, т.к. фактически позволяет исключить из сети коммутатор уровня агрегации при значительной экономии в волокне. При этом расстояние от OADM модуля (одноканального) до места размещения конечного оборудования (коммутатор, муршрутизатор, медиаконвертор) ограничено лишь мощностью сигнала в линии и вносимыми потерями от оборудования уплотнения.  Достоинства Экономия оптического волокна — система спектрального уплотнения позволяет передавать по одному волокну до 8 каналов с пропускной способностью до 2,5 Gb/s на канал Независимость от электропитания — питание необходимо только для активного оборудования Отсутствие проблем «падения», перезагрузок и пр. Отсутствие необходимости организации постоянного доступа к местам размещения элементов системы — существуют OADM модули в исполнении для размещения в оптических муфтах Снижение уровня влияния «человеческого фактора» – отсутствие активных компонентов, требующих настройки, управления и пр. Значительное снижение стоимости владения — снижение уровня эксплуатационных расходов Относительно невысокая стоимость, возможность отказа от оборудования уровня агрегации Максимальная дальность работы составляет 80 и более километров Независимость от клиентских протоколов – передача до 18-ти независимых сервисов по двум парам оптических волокон; прозрачность для всех протоколов передачи данных Наличие различных видов оборудования для монтажа в различных условиях: в стойку, в муфту, на стену. |
