Компьютерные сети. Принц, техн, прот 1-303. Книга переведена на английский, испанский, китайский и португальский языки
 Скачать 5.49 Mb.
|
|
грубого волнового мультиплексирования (Coarse Wave Division Multiplexing, CWDM). В технологии CWDM ширина спектрального канала равна 20 нм, или 2556 ГГц. Из-за того что волны соседних спектральных каналов находятся на большом расстоянии друг от друга, сигнал отдельного канала легче выделять из общего светового сигнала и декодировать. Сегодня CWDM используется в различных скоростных вариантах технологии Ethernet, которые рассматриваются в главе 10. До недавнего времени все частотные планы DWDM были фиксированными, то есть всем спектральным каналам отводились слоты частот равной ширины. Рекомендацией ITU-T G.694.1 для систем DWDM определено четыре фиксированных частотных плана с шагом (то есть расстоянием между центральными волнами каждого слота) в 100, 50, 25 и 12,5 ГГц. Эти планы показывают, что технология DWDM имеет право назваться «уплотненной», так как ее шаг в любом варианте намного меньше шага в 2556 ГГц технологии CWDM.  Оборудование DWDM первого поколения работало в основном с частотным планом с шагом 100 ГГц, или 0,8 нм. Использование плана с наиболее крупным шагом на начальном этапе развития технологии понятно, потому что реализация частотных планов с меньшим шагом (50, 25 и 12,5 ГГц) предъявляет гораздо более жесткие требования к оборудованию DWDM, особенно в том случае, если каждая волна переносит сигналы со скоростью выше 10 Гбит/с. Это легко объяснить, если вспомнить, что спектр сигнала тем шире, чем выше частота его модуляции (при фиксированной технике модуляции). Например, спектр сигнала STM-64 шире спектра сигнала STM-16 (рис. 9.2), что приводит к частичному перекрытию сигналов STM-64 у соседних волн при использовании плана 50 ГГц, в то время как при плане 100 ГГц такого перекрытия не происходит. Очевидно, что переход к более узким слотам для увеличения числа волн требует применения более сложных методов кодирования, позволяющих уместить спектр сигнала в отведенную полосу пропускания.В 2012 году организация ITU-T представила концепцию гибкого частотного плана, в соответствии с которой волновые каналы могут иметь различную ширину слота в зависимости от требуемой пропускной способности. Этот план определяет центр частотного слота с дискретностью 6,25 ГГц, при этом минимальная ширина слота должна быть кратна 12,5 ГГц. При гибком частотном плане допускается любая комбинация слотов различной ширины, при условии что они не перекрываются. При реализации гибкого частотного плана в одном волокне могут сосуществовать каналы с различной шириной полосы пропускания и, соответственно, с различной пропускной способностью – например, 10 каналов с шириной полосы пропускания 100 ГГц и 60 каналов с шириной полосы пропускания 50 ГГц. Применение гибкого частотного плана значительно повышает эффективность магистрали DWDM, которая может быть ближе приспособлена к потребностям конкретной сети по сравнению с сетью, работающей с фиксированным частотным планом. Однако при этом оборудование становится более сложным. Оборудование и топологии сетей DWDM Сети DWDM поддерживают те же топологии, что и сети SDH, то есть линейную цепь, кольцо и произвольную смешанную топологию. Для организации магистрали типа «линейная цепь» необходимо установить (рис. 9.3): терминальные мультиплексоры DWDMв ее конечных точках (на рисунке обозначены какТ-MUX); ' оптические мультиплексоры ввода-вывода (Optical Add-Drop Multiplexer, OADM) в тех промежуточных точках, где имеется оборудование пользователей; оптические усилители (А), если между конечными точками требуется промежуточное усиление сигнала; устройства компенсации дисперсии (на рисунке не показаны), если между конечными точками требуется устранение дисперсии сигнала.  OADM Магистральный неокрашенный сигнал А1-Ал А1-Ап Оптический усилитель  А А Модули ввода- вывода   Рис. 9.3. Линейная цепь DWDM В приведенной на рисунке схеме дуплексный обмен между абонентами сети (представленными оборудованием SDH или маршрутизаторами компьютерных сетей) происходит за счет однонаправленной передачи всего набора волн Х1-Х.И по двум волокнам. Существует и другой вариант работы сети DWDM, когда для связи узлов сети используется одно волокно. Дуплексный режим достигается путем двунаправленной передачи оптических сигналов по одному волокну – половина волн частотного плана передает информацию в одном направлении, половина – в обратном. Рассмотрим устройство и принципы работы типовых узлов линейной цепи DWDM. Заметим, что кольцо DWDMсостоит из тех же элементов, что и линейная цепь, за исключением терминальных мультиплексоров. В кольце все мультиплексоры являются мультиплексорами ввода-вывода, поэтому отдельно организацию колец DWDM мы рассматривать не будем. Как и кольца SDH, кольца DWDM обладают повышенной отказоустойчивостью, присущей кольцевой топологии: всегда имеется возможность обойти отказавший участок кольца за счет направления сигнала в противоположном направлении. Терминальные мультиплексоры Терминальный мультиплексор Т-MUX состоит из транспондеров (Т) и блоков мультиплексирования (М) и демультиплексирования (D) (см. рис. 9.3). Транспондер (transmitter-responder) является портом ввода-вывода пользовательских сигналов. Он преобразует оптический сигнал, поступающий от абонентского устройства пользователя (850 нм или 1310 нм), в сигнал из диапазона, в котором работает оборудование DWDM, и обратно. Например, транспондер может принимать сигнал SDH волны 1310 нм и преобразовывать его в волну 1531.1157 нм. Каждый транспондер поддерживает только одну определенную выходную волну диапазона DWDM (в примере это волна 1531.1157 нм). Такое фиксированное однозначное отображение пользовательский сигнал – волна DWDM может быть интерпретировано как приписывание абоненту некоторого идентификатора, который затем будет фигурировать в таблицах коммутации. Для преобразования волн транспондеры сначала преобразуют принимаемый оптический сигнал в электрический, а затем электрический сигнал - в оптический сигнал новой длины волны, то есть работают по схеме О-Е-О, подобно регенераторам и мультиплексорам SDH. Для генерирования нужной волны диапазона DWDM транспондеры используют настраиваемые лазеры. Добавление новой волны в магистраль требует установки дополнительного транспондера. Транспондеры имеют мощные передатчики, обеспечивающие устойчивую работу без промежуточного усиления на расстояниях до 80 км. Блок мультиплексирования (М) выполняет смешение окрашенных сигналов, получаемых от транспондеров, в магистральный неокрашенный сигнал. Блок демультиплексирования (D) выполняет обратную операцию. Обычно один и тот же блок может выполнять обе операции. Блок мультиплексор/демульплексор DWDM может быть построен на основе разнообразных оптических механизмов. В оптических мультиплексорах, поддерживающих сравнительно небольшое количество длин волн в волокне, применяются тонкопленочные фильтры. Тонкопленочный фильтр может представлять собой торец оптического волокна, скошенный под углом 30-45°, с нанесенными на него слоями покрытия, отличающимися толщиной и показателем преломления света. При определенной толщине и коэффициенте преломления слоев тонкопленочный фильтр отражает (фильтрует) волну одной определенной длины, а остальные – пропускает. Таким образом, фильтр выделяет одну волну из общего неокрашенного сигнала. Для выделения всех волн тонкопленочные фильтры соединяют каскадом, что позволяет выполнить полное или частичное демультиплексирование неокрашенного сигнала. Этот же набор фильтров работает как мультиплексор, если окрашенные сигналы пропускаются в обратном направлении. Тонкопленочные фильтры вызывают весьма сильное затухание, поэтому при большом количестве составляющих фильтров в каскадном соединении сигнал становится слишком слабым, что и ограничивает количество волн в мультиплексоре такого типа до 16-32. Для систем с большим числом волн требуются другие принципы фильтрации и мультиплексирования; наиболее популярны так называемые интегральные дифракционные фазовые решетки, или дифракционные структуры, или фазары. Такой мультиплексор состоит из двух пластин, в которых свет распространяется свободно, рассеиваясь по всей области пластины (рис. 9.4). Пластины соединены набором волноводов (решеткой волноводов), по числу волн, которые нужно выделить из неокрашенного сигнала. На рисунке для упрощения показаны четыре таких волновода, то есть предполагается, что неокрашенный сигнал состоит из четырех волн. Приходящий неокрашенный сигнал Х^ попадает на входной порт. Затем этот сигнал свободно проходит через волновод-пластину и рассеивается по множеству волноводов. Сигнал в каждом из волноводов по-прежнему является мультиплексным, то есть каждая волна (X], Xj, Хз, Хд) остается представленной во всех волноводах.  Рис. 9.4. Демультиплексирование сигнала с помощью дифракционной фазовой решетки Важно, что все волноводы имеют различную длину, отличающуюся на постоянную величину шага Arf. После прохождения волноводов все неокрашенные волны попадают во вторую пластину, свободно распространяясь в ней. При этом сигналы, пришедшие из разных волноводов, имеют различную пространственную фазу. Этот сдвиг произошел из-за того, что каждый сигнал прошел путь различной длины по своему волноводу. В результате происходит интерференция волн и в пространстве второй пластины образуются максимумы (там, где произошла конструктивная интерференция) и минимумы (там, где произошла деструктивная интерференция) интенсивности волн. При этом области максимума и минимума для каждой из составляющих волн находятся в различных точках пространства пластины из-за дисперсии волн на границе пластины. Геометрия выходной пластины, соотношение коэффициентов преломления пластины и волноводов, а также шаг \d выбираются так, чтобы область максимума некоторой волны находилась в районе ее выходного порта-волокна. На рисунке такие области показаны для двух волн: Xi и Х4. Мы рассмотрели процесс демультиплексирования неокрашенного света на его составляющие волны. Мультиплексирование происходит обратным путем, при этом отдельные окрашенные сигналы поступают на порты второй пластины, а из порта первой пластины выходит составной неокрашенный сигнал. Дифракционные фазовые решетки выполняются в виде компактных интегральных модулей. Они являются ключевыми элементами мультиплексоров DWDM и обычно применяются для полного демультиплексирования светового сигнала, так как хорошо масштабируются и потенциально могут успешно работать в системах с сотнями спектральных каналов. Оптические мультиплексоры ввода-вывода Оптические мультиплексоры ввода-вывода (OADM) могут вывести (операция Drop) из неокрашенного сигнала волну определенной длины и ввести туда волну той же длины (операция Add), так что набор волн неокрашенного сигнала не изменится, при этом будет выполнено два соединения абонентов, подключенных к этому промежуточному мультиплексору. Функциональная схема OADM представлена на рис. 9.5: мультиплексор включает два модуля ввода-вывода, каждый из которых выполняет операции ввода-вы вода с одной волной Х,7. Левый модуль ввода-вывода работает с сигналами левого магистрального порта, а правый – правого. Операции ввода/вывода выполняются с абонентским оборудованием, подключенным к OADM через транспондеры.  Модули ввода-вывода строятся на основе оптических фильтров (тонкопленочных или другой конструкции). При выполнении операции вывода такой фильтр принимает неокрашенный магистральный сигнал, отражает сигнал одной волны в выходной порт ввода-вывода, а сигналы всех остальных волн передает без изменения в виде выходного магистрального сигнала. При вводе волны фильтр работает в обратном направлении – он добавляет волну абонента (окрашенную волну) в общий магистральный сигнал. В соответствии с принципами работы сети DWDM во избежание коллизий фильтру не позволяется добавлять волну в магистральный сигнал, если она там уже существует. В примере, показанном на рис. 9.5, модуль ввода добавляет волну Х7, потому что эта волна добавляется к сигналу уже после того, как она же была удалена из него другим модулем ввода-вывода, так что коллизии волн не наблюдается. Модули ввода-вывода поддерживают операцию ввода-вывода только одной определенной волны – той, на которую настроен ее оптический фильтр. Для ввода-вывода нескольких волн нужно установить в OADM несколько блоков ввода-вывода, физически соединив их с соответствующими транспондерами. Волоконно-оптические усилители Практический успех технологии DWDM во многом определило появление волоконно-оптических усилителей. Эти оптические устройства усиливают световые сигналы в диапазоне 1550 нм, не прибегая к промежуточному преобразованию их в электрическую форму, как это делают регенераторы, применяемые в сетях SDH. Системы электрической регенерации сигналов весьма дороги и, кроме того, рассчитаны на определенный тип кодирования сигнала. Оптические усилители, «прозрачно» передающие информацию, позволяют наращивать скорость магистрали без необходимости модернизировать усилительные блоки из-за применения другого метода кодирования. Наибольшее распространение в волоконно-оптических сетях получили усилители на примесном волокне, то есть волокне, легированном каким-либо редкоземельным элементом. Лазер усилителя, называемый |