Для простоты модели ограничимся частотным планом DWDM с шагом 100 ГГц, а в CWDM рассмотрим восемь основных каналов в диапазоне 1470-1610 нм. На рис. 1 приведены оба плана с указанием области пересечения. В верхней части рисунка показан план DWDM с шагом 0,8 нм (полоса С) и пересекающаяся область, в нижней - план CWDM с шагом 20 нм, а на нем позиции полос С и L плана DWDM. Известно, что в каждой из полос С и L можно разместить по 41 стандартному каналу с шагом 100 ГГц.
|
Рисунок 1 - Волновые планы CWDM и DWDM
Полоса С содержит длины волн в диапазоне 1528,77–1560,61 нм, а полоса L &nash; 1566,31–1612,65 нм. В них попадают следующие несущие CWDM: 1530, 1550, 1570, 1590 и 1610 нм. С другой стороны, как видно из рис. 1, в полосе пропускания фильтра одной из несущих CWDM может разместиться восемь несущих DWDM полосы С.
Первая стратегия
Из сказанного выше следует, казалось бы, простой метод формирования гибридного частотного плана и первая стратегия расширения числа несущих: a) используя план CWDM, разместить восемь основных каналов (1470–1610 нм); б) при необходимости увеличения числа каналов, заменить один из каналов CWDM на восемь каналов DWDM. Однако эта стратегия имеет определенные недостатки. Во-первых, не все несущие DWDM попадают в полосу пропускания фильтров системы CWDM – примерно 50% приходится на переходную полосу фильтров. Во-вторых, часть общей полосы пропускания фильтров CWDM перекрывается полосами С и L не полностью. По этой причине несущую 1610 нм (CWDM) не используют для замены наряду с несущими 1470,1490 и 1510 нм, а у оставшихся четырех (1530, 1550, 1570 и 1590 нм) полоса пропускания используется частично, принимая во внимание, что полоса С начинается с длины волны 1528,77 нм. В результате получается, что первая стратегия обеспечивает использование четырех незаменяемых длин волн CWDM и четырех длин волн, полосы которых заменяются возможными наборами длин волн DWDM. Наилучшей в этом случае является несимметричная схема (рис. 2), в которой незаменяемая полоса А состоит из трех расположенных слева каналов (несущие 1470, 1490 и 1510 нм) и одного канала справа (несущая 1610 нм), а заменяемая полоса В расположена внутри общей полосы А + В. Согласно расчетам, максимально возможное число каналов в этом случае равно 32 (4 канала CWDM + 28 каналов DWDM). Таким образом, общее число каналов увеличивается в четыре раза: с 8 до 32
|
Рисунок 2 - Схема гибридного несимметричного частотного плана
Вторая стратегия
Существует и вторая стратегия расширения числа несущих. Она оставляет ту же исходную расстановку несущих: 4 незаменяемых + 4 заменяемых, но использует всю освобождаемую формирующими фильтрами несущих полосу. То есть для этих каналов полностью меняются карты в оборудовании и используются не только канальные, но и полосовые фильтры DWDM. В результате оказывается возможным в полосе четырех заменяемых каналов сформировать 32 канала в полосе С и 32 канала в полосе L; таким образом, общее число каналов может достигать 68 (4 канала CWDM + 64 канала DWDM). При этом схема мультиплексирования каналов может быть такой, как показано на рис. 3, а именно: 4 (CWDM-A) + 32 (DWDM-C) + 32 (DWDM-L). В результате гибридный альтернативный план выглядит так: несущие CWDM 1470, 1490, 1510 нм + 64 несущие полос С и L DWDM + несущая CWDM 1610 нм.
|
Рисунок 2 - Схема мультиплексирования каналов CWDM DWDM
Альтернативы использования CWDM и DWDM
Неполное использование CWDM
В полную ширину спектра 340 нм с занимаемой областью 1270—1610 нм входят 18 стандартных каналов с шагом 20 нм. Будучи наложенной на характеристику затухания стандартного ОВ, например SMF-28e компании Corning, эта область содержит сглаженный максимум затухания на 1383 нм. Хотя вероятность увеличения максимального затухания в районе 1383 нм мала, нужно иметь в виду, что три стандартных канала CWDM: 1370, 1390 и 1410 нм – расположены около этого пика. Они могут быть причиной определенных трудностей (вызванных необходимостью индивидуальной подстройки коэффициентов усиления каналов в тракте ВОСП) при реализации полного (18 каналов) варианта использования полосы CWDM. Если исключить эти три канала, то возможности расширения ограничиваются семью каналами и максимальное общее число рабочих каналов составит 15, что вполне может удовлетворить многих пользователей.
Возврат к системам DWDM
С точки зрения использования большего числа каналов данная альтернатива была описана выше и в целом ясна. Что касается потери вложенных средств, то при локальном или корпоративном использовании и наличии свободного ОВ, на котором можно развернуть DWDM, таких потерь можно избежать. Однако при отсутствии свободного ОВ или в случае применения ВОСП в рамках глобальной сети, учитывая наложение спектров CWDM и DWDM, пользователь может потерять средства, вложенные в развертывание оборудования CWDM. При этом нужно помнить, что обоснованием этой альтернативы была необходимость получения большего, чем 15, числа каналов WDM.
Использование гибридной модели частотного плана
Как было показано выше, эта альтернатива при использовании второй стратегии позволяет сначала наращивать число каналов в рамках частотного плана CWDM (блоками по 4 канала), а затем - в рамках частотного плана DWDM (блоками по 32 канала), задействовав каналы как в полосе С, так и в полосе L.
Проблемы и перспективы использования WDM
Здесь, как и в, рассмотрены только общие контуры новой технологии, которая развивается очень быстрыми темпами. Ее прогресс поддерживается, с одной стороны, новыми усовершенствованиями в области создания стабильных (фиксированных и быстродействующих перестраиваемых) лазерных источников излучения, оптических фильтров(как широкополосных -для CWDM, так и узкополосных -для DWDM и HDWDM) и новых типов ОУ, а с другой стороны, разработкой набора интерфейсных карт, упростивших реализацию транспортных возможностей WDM (в частности, для передачи Ethernet и IP-трафика).
Проблемы
Проблемы реализации систем WDM связаны, главным образом, с преодолением воздействия трех факторов: влияния эффекта ЧВС (четырехволнового смешения); воздействия помех от соседних каналов; ограничения суммарной мощности светового сигнала, вводимого в волокно. Влияние первого фактора достаточно успешно снижается за счет использования волокна с ненулевой смещенной дисперсией (NZDSF), неравномерного распределения частот несущих (см. подробнее в работе), а также за счет использования схем интерливинга. Влияние второго фактора (который имеет разную природу на передающем и приемном концах) может быть снижено разными способами: увеличением шага несущих (действует на обоих концах), использованием внешнего модулятора (уменьшающего уширение несущей), применением солитонной технологии или техники модуляции с подавлением одной боковой полосы (ОБП). Все три метода действуют на передающем конце. Кроме того, можно применить процедуру интерливинга, при которой плотный набор из n несущих длин волн (с шагом s) разделяется на приемном конце на два или четыре (каскадно 2x2) набора по n/2 (с шагом 2s) или n/4 (с шагом 4s) несущих. Влияние третьего фактора обусловлено тем, что максимальная мощность каждой оптической несущей PC max (в дБм) зависит от полной оптической мощности, подаваемой с выхода транспондера на вход волокна Ptotal (оптическая мощность в дБм на выходе агрегатного канала WDM) и числа мультиплексированных длин волн п. Согласно стандарту, P = c max = Ptotal - 10lgn.
Перспективы
Перспективы развития WDM связаны с тремя факторами: технологическим, сетевым и экономическим.
Технологический фактор определяется развитием элементов систем WDM, что позволит:
• перейти на более плотную сетку частотного плана (25, а затем и 12,5 ГГц), подготовив миграцию систем DWDM в сторону систем HDWDM; • увеличить максимальное число каналов в широко используемых диапазонах С, L и S; • использовать для этих диапазонов как оптические усилители EDFA, так и рамановские усилители; • использовать оборудование SDH с увеличенной скоростью передачи наодной несущей: 40-160 Гбит/с; • использовать солитонную технологию с возможностью увеличения дальности передачи и уменьшения чувствительности высокоскоростных систем к поляризационной модовой дисперсии (PMD). Сетевой фактор определяется развитостью структуры сетей WDM. В настоящее время не существует единой сети WDM не только в России, но и в США, и в Европе (если не считать фрагментов таких сетей; например, сети SDH–WDM компании Hermes Europe Railtel). Это значит, что нельзя в полной мере воспользоваться одним из самых главных преимуществ систем WDM – возможностью маршрутизации потокового трафика по длине волны λ, не говоря уже о другой, еще не реализованной возможности маршрутизации оптического пакетного трафика. Также пока нельзя использовать технологию MPλS.
Экономический фактор определяется высокой стоимостью систем WDM даже для топологии "точка -точка". Так, по оценкам одной из компаний - производителей оборудования WDM, секция системы (на основе STM-16/64) на 16 длин волн протяженностью 450-500 км с тремя промежуточными мультиплексорами, не обладающими возможностью оптического ввода-вывода, стоит примерно 1,5-2 млн дол. Эта стоимость может оцениваться как в абсолютной мере (цена за устройство или систему), так и в относительной (цена за бит переданной информации в расчете на километр). Относительная стоимость снижается довольно успешно как за счет увеличения числа бит (увеличение скорости передачи на одну несущую), так и за счет увеличения длины пролета/секции. Снижение же стоимости в абсолютном исчислении происходит пока за счет перехода от систем DWDM к системам CWDM благодаря более дешевым системам мультиплексирования/демультиплексирования на основе пассивных фильтров и комбайнов/разветвителей.
Особенности применения систем WDM в городских сетях
Системы WDM используются для организации городских или корпоративных сетей в рамках большого города. Характерными особенностями таких систем являются: относительно небольшая длина пролетов (в среднем 15-20 км и не больше 50-70 км либо не больше 100-200 км по периметру замкнутой кольцевой сети); компактная структура, использующая кольцевую, радиально-кольцевую и ячеистую топологии; относительно небольшое число каналов (не больше 32) на одно OВ, что позволяет использовать частотные планы как DWDM, так и CWDM; широкий набор интерфейсов для доступа в сеть WDM наиболее известных технологий: PDH, SDH, ATM, FDDI, IP, Fast Ethernet (100BASE-F), Gigabit Ethernet (GE) и 10 Gigabit Ethernet (10GE); новые сервисы, стандартные для полностью оптических сетей (AON): ввод-вывод оптических несущих, маршрутизация по длинам волн, многопротокольная коммутация по длинам волн (MPλS).
Применение систем CWDM
При анализе возможности применения той или иной технологии для решения определенных задач обычно учитывают наличие конкурентных технологий для решения тех же задач. Конкурентные технологии сравнивают по ряду показателей, ранжированных по степени важности для оператора связи. Такими показателями могут быть: стоимость аналогичного решения, класс сетей и набор реализуемых приложений (сервисов), завершенность технологии (набор стандартов, регламентирующих ее применение), масштабируемость решения и, наконец, наличие технологической ниши, где данная технология имеет наибольшие конкурентные преимущества или просто незаменима. Если взять, например, задачу выбора технологии, обеспечивающей пропускную способность волокна 40 Гбит/с, то нужно сравнить, как минимум, три конкурирующие технологии: SDH (с использованием одного мультиплексора STM-256); DWDM (с транспондером на 4 несущих и с 4 мультиплексорами SDH уровня STM64 или с транспондером на 16 несущих с 16 мультиплексорами SDH уровня STM16); CWDM (с транспондером на 16 несущих с 16 мультиплексорами SDH уровня STM16). Очевидно, что стоимость решения, использующего 16 несущих, будет существенно ниже у CDWM, чем у DWDM, и ниже, чем применение SDH. Однако в этом примере выбор CWDM оказывается тупиковым вариантом с точки зрения масштабируемости, так как при этом используется, по крайней мере, два предельных для этой технологии параметра (см. ниже): число несущих и скорость передачи сигнала. Это значит, что при развитии сети может возникнуть необходимость смены технологий и неизбежных при этом дополнительных затрат.
Оборудование, архитектура и завершенность технологии
Анализ затрат на оборудование для двух конкурирующих технологий DWDM и CWDM довольно трудно провести корректно, не привязываясь к конкретным изделиям, производимых одной и той же компанией. Общие оценки, публикуемые в разных изданиях, имеют большой разброс и позволяют указать лишь нижнюю (стоимость CWDM в несколько раз ниже) и верхнюю (стоимость CWDM на 30% ниже) границы сравнительных затрат на системы CWDM и DWDM, так как они зависят от числа используемых несущих и ряда других параметров.
Оборудование
CWDM использует в транспондерах лазеры с распределенной обратной связью (DFB), непосредственной модуляцией и скоростью передачи не выше 2,5 Гбит/с. Они обеспечивают узкую спектральную линию излучения сигнала несущей с большим коэффициентом подавления боковых мод, что, в свою очередь, уменьшает эффект уширения при распространении оптического сигнала по ОB и позволяет без дополнительного усиления перекрывать пролеты длиной до 80 км. Низкие затраты здесь достигаются за счет двух факторов: допустимой точности центральной частоты несущей и допустимого дрейфа этой частоты во времени. Так, для DWDM допустимая точность центральной частоты обычно лежит в пределах 0,5 ГГц (при 25 °С), то же можно сказать и о дрейфе, тогда как для CDWM этот показатель может быть увеличен до 6,5 нм при ширине полосы фильтров демодулятора 13 нм. С другой стороны, лазеры систем DWDM (ввиду малого допуска) должны быть стабилизированы по температуре для компенсации температурного дрейфа примерно 0,1 нм/°С, что вынуждает оператора использовать термостабилизаторы и даже системы с внешней петлей температурной обратной связи. Для лазеров в системах CWDM такая стабилизация считается излишней, учитывая допустимый допуск на дрейф 6,5 нм. Отсутствие охлаждения и стабилизации температуры позволяет получить значительную экономию потребляемой мощности: если в системах DWDM она составляет 5 Вт/канал передачи несущей, то в системах CWDM - только 0,25 Вт, причем эта разница увеличивается пропорционально числу используемых несущих. Приемники в обеих системах обычно одинаковы. Это PIN- или APD-диоды, обеспечивающие бюджет мощности системы порядка 20-25 дБ. Существенная разница, однако, наблюдается на этапе демультиплексирования. При малом числе каналов в обеих системах можно использовать одинаковые демультиплексоры с фильтрами на многослойных тонких пленках, однако требования к фильтрам могут значительно отличаться. Так, при шаге сетки несущих 200 ГГц в DWDM необходимо использовать фильтры со 125 слоями для обеспечения требуемого затухания в переходной полосе, тогда как в CWDM при разносе несущих на 20 нм достаточно 50 слоев (при этом вносимые потери фильтров не превышают 1 дБ). Если же число длин волн велико, то в системах DWDM используются демультиплексоры на основе дифракционной решетки на массиве волноводов (AWG), которые стоят еще больше в расчете на одну несущую.
Архитектура и реализуемые сервисы
Традиционные системы CDWM первоначально строились по однопролетной схеме с терминальными мультиплексорами одного производителя в расчете на сетевую топологию "точка - точка" в корпоративных и локальных сетях. Набор интерфейсных карт давал, как правило, возможность использовать технологии ATM, ТЗ/ЕЗ (PDH), Fast Ethernet (FE), FDDI. При этом допускалось применение многомодового ОВ и работа в трех окнах прозрачности 850/1300/1550 нм. Мультиплексоры ввода-вывода при этом не использовались. На смену традиционным пришли открытые и гибридные системы CWDM. В открытых системах CWDM сетевые операторы для повышения гибкости систем стали использовать маршрутизаторы, мультиплексоры ввода-вывода и коммутаторы с интерфейсами CWDM. Применение мультиплексоров вводавывода позволило расширить круг используемых топологий и освоить кольцевые сети в городских сетях, а также сети доступа транспортных сетей SDH. Гибридные системы CWDM позволяли широко использовать преимущества обоих типов систем и освоить радиально-кольцевые топологии. Однако главным было то, что в результате переориентации на одномодовое ОВ и диапазон 1550 им появилась возможность устанавливать интерфейсные DWDM-карты и осуществлять реконфигурацию несущих каналов CWDM в несущие каналы DWDM со всеми вытекающими из этого преимуществами в плане масштабирования. Оказалось, что в результате такого развития систем CWDM появилась возможность использовать CWDM на трех нижних уровнях четырехуровневой иерархии сетей: магистральные транспортные сети (верхний уровень); магистральные городские сети (средний уровень); развитые сети доступа (средний уровень); сети "последней/первой мили" (нижний уровень). При этом местом реализации открытых систем CWDM стали сети "последней/первой мили", тогда как местом реализации гибридных систем CWDM, которые стали обозначаться как системы C/DWDM, стали городские сети и сети доступа. Набор физических интерфейсов (а значит, и набор сервисов/услуг) систем CWDM и C/DWDM при этом расширился и может теперь включать в себя (помимо интерфейсов, указанных выше): IP, гигабитный и 10-гигабитный Ethernet (GE и l0GE), OC-1/3/12/24/48 (SONET) и STM-1/4/16 (SDH), Fiber Channel (FC), ESCON и xDSL.
Завершенность технологии
Завершенность технологии определяется наличием разработанных и внедренных стандартов, специфицирующих параметры систем и оптические интерфейсы, а также разработанных методик оценки показателей производительности систем и уровня ошибок в них. В области стандартизации систем CWDM первой была принята рекомендация МСЭ, описавшая сетку длин волн, используемых в CWDM. Затем в феврале 2004 г. была утверждена рекомендация МСЭ, определяющая характеристики и параметры систем CWDM: типы оптических интерфейсов CWDM и перекрываемые ими расстояния, допустимые уровни мощности и затухания оптических сигналов. Она предусматривала даже применение скорости передачи 1,244 Гбит/с, соответствующей уровню SONET ОС-24 и не являющейся стандартной для европейской ветви SONET/SDH, но позволяющей существенно улучшить коэффициент использования емкости полезной нагрузки при инкапсуляции гигабитного Ethernet (GE) в оболочку синхронной полезной нагрузки (SPE), по сравнению с вариантом использования для этой цели синхронного транспортного модуля SDH STM-16. Рекомендация определяет оптические интерфейсы однонаправленных и двунаправленных систем CWDM для сетевых приложений, использующих одномодовое ОВ. Они ограниченны как по числу несущих (не больше 16, хотя рекомендация позволяет использовать 18 несущих), так и по скорости сигнальных каналов (не выше 2,5 Гбит/с при кодировании кодом без возвращения к нулю - NRZ). Сетевые приложения и сервисы должны соответствовать теперь кодам использования, аналогично тому, как это делается для систем SONET/SDH и WDM. Они описывают сеть, условия использования, архитектурные особенности приложений и другие особенности.
Вариант реализации мультисервисной системы CWDM
В заключение покажем один из возможных вариантов реализации описанных сервисов в оборудовании на примере мультисервисной системы CWDM. Она позволяет агрегировать сигнальные потоки, формируемые сетевым оборудованием различных технологий, и может быть установлена на "последней/первой миле" и в сетях доступа. Операторы смогут предлагать пользователям различные услуги в рамках одной унифицированной оптической инфраструктуры благодаря объединению в устройстве следующих сервисов: сервисы, агрегируемые низкоскоростным мультиплексором с временным разделением каналов типа LSA, то есть сервисы Т1/Е1, ТЗ/ЕЗ и Ethernet, FE, GE, агрегируемые в потоки SONET ОС-3/12/48 или в потоки SDH STM-1/4/16; полученные потоки можно затем конвертировать в формат CWDM и передавать на оптические мультиплексоры ввода-вывода, которые объединяют подачу нескольких длин волн в одно волокно (формат CWDM допускает использование 9 и 18 длин волн на одно волокно, см. ниже); сервисы, агрегируемые мультиплексором SADM, поддерживающим сервисы ОС3/12 или STM-1/4, то есть агрегирующим 4ОС-3/12 в ОС-48 или 4STM-1/4 в STM16; сервисы, агрегируемые мультиплексором ESCON, поддерживающим 12 входных потоков ESCON, которые агрегируются в один ОС-48/STM-16; сервисы, агрегируемые мультиплексором SFDADM, поддерживающим 2 потока GE/FC или 8 потоков FE и 1 поток GE/FC, которые агрегируются в ОС-48/STM-16; сервисы CWDM (9 несущих в окне 1310 нм с защитой (кольцевая топология) или в двунаправленном варианте; 18 несущих без защиты (кольцевая топология) или в однонаправленном варианте.
Список литературы
1. Слепов Н. Особенности современной технологии WDM // Электроника: НТВ. 2004. № 6. С. 68-76. ITU-T G.694.2. Spectral grids for WDM applications: CWDM wavelength grid (6.0
2. Hinderthur H., Friedric L. WDM hybrid transmission based on CWDM plus DWDM // Lightwave Europe. July 2003. P. 9-12. ITU-T G.692. Optical interfaces for multi-channel systems with optical amplifiers (10.98, Corr. 1,2-6.02).
3. Bautista J., Shine B. Untangling the wavelength Web: Separating DWDM Channels with Interleaves // Photonics Spectra. February 2001. P. 90-92.
4. Слепов Н.Н. Современные технологии цифровых оптоволоконных сетей связи. 2-е испр. изд. - М.: Радио и связь, 2003.
5. Слепов Н. Фотонно-кристаллическое волокно-уже реальность // Электроника: НТВ. 2004. № 5. С. 80-84.
6. Jun-lchi-Kani et. al. Triple-wavelength-band WDM transmission technologies. - OFC2002, Anaheim, Paper TuR5, p. 122-123, Borella A., Cancelleri G., Chiaraluce F. Wavelength Division Multiple Access Optical Networks. - Artech House. Boston-London. 1998. CWDM Technology and Applications. White Paper WP011, CIENA Corporation, 2004, p. 1-9.
Слепов Н. Особенности, проблемы и перспективы разреженных систем WDM (CWDM) // Электроника: НТВ. 2004. № 7. С. 56-59. ITU-T G.695. Optical Interfaces for Coarse Wave-length Division Multiplexing Applications (2.04).