Рейтинг@Mail.ru

NetCloud

Простыми словами о сетевых технологиях

Обзор технологии DWDM

Оптическое волокно обладает огромной пропускной способностью. Еще лет двадцать назад людям казалось, что им вряд ли потребуется и сотая ее часть. Однако время идет и потребности в передаче больших объемов информации растут все быстрее. Такие технологии как ATM, IP, SDH (STM-16/64) уже в ближайшей перспективе могут не справится с «взрывным» ростом передаваемой информации. На смену им пришла технология DWDM.

DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing) — технология плотного мультиплексирования с разделением по длине волны. Суть технологии DWDM заключается в том, что по одному оптическому волокну передаются несколько информационных каналов на различных длинах волн, что позволяет максимально эффективно использовать возможности волокна. Это позволяет максимально увеличить пропускную способность ВОЛС, не прокладывая новые кабели и не устанавливая новое оборудование. Кроме того, работать с несколькими каналами в волокне намного удобнее, чем работать с разными волокнами, так как для обработки любого числа каналов требуется один мультиплексор DWDM.

Системы DWDM основаны на способности оптического волокна одновременно передавать свет различных длин волн без взаимной интерференции. Каждая длина волны представляет отдельный оптический канал. Поясним для начала понятие интерференции.

Интерференция света — перераспределение интенсивности света в результате наложения (суперпозиции) нескольких когерентных световых волн. Это явление сопровождается чередующимися в пространстве максимумами и минимумами интенсивности.

artworks-000183502201-95llc6-t500x500

В определении интерференции есть важное понятие когерентности.  Световые волны когерентны, когда разность их фаз постоянна. Если волны будут накладываться в противофазе — амплитуда итоговой волны равна нулю. В противном случае, если волны накладываются в одной фазе — то амплитуда результирующей волны будет больше.

image12

На этом этапе важно понять, что если две волны имеют разные частоты они уже не будут когерентны. Соответственно влияния друг на друг оказывать не должны. Исходя из этого, становится понятно, что мы можем передавать одновременно по одной среде модулированные сигналы с разными длинами волн (частотами) и они не будут оказывать друг на друга никакого влияния. Именно эта идея лежит в основе технологии DWDM. На сегодняшний день технология DWDM позволяет передавать по одному волокну каналы с разницей длин волн между соседними каналами всего в доли нанометра. Современное оборудования DWDM поддерживает десятки каналов, каждый емкостью 2,5 Гбит/с.

wdm-fig-s-800w

Казалось бы, что если волны разных частот не накладываются друг на друга, то в оптическое волокно можно ввести практически бесконечное число каналов, ведь спектр света огромен. В теории это так, но на практике есть определенные проблемы. Во-первых ранее мы рассматривали строго монохроматическую волну (одной частоты). Добиться такой монохроматичности весьма тяжело, так как световые волны генерируются лазерами — электронными компонентами, которые подвержены такому явлению как тепловой шум. При генерации световой волны лазер будет неосознанно искажать выходной сигнал, что приведет к небольшим вариациям частоты. Во-вторых монохроматическая волна имеет ширину спектра, равную нулю. На графике ее можно представить как одну единственную гармонику.  В реальности же спектр светового сигнала отличен от нуля. Об этих проблемах стоит помнить, когда мы говорим про системы DWDM.

Суть технологии спектрального (оптического) уплотнения заключается в возможности организации множества раздельных клиентских сигналов (SDH, Ethernet) по одному оптическому волокну. Для каждого отдельного клиентского сигнала необходимо изменить длину волны. Данное преобразование выполняется на DWDM-транспондере. Выходной сигнал с транспондера будет соответствовать конкретному оптическому каналу со своей длиной волны. Затем при помощи мультиплексора сигналы смешиваются и передаются в оптическую линию. В конечном пункте происходит обратная операция — при помощи демультиплексора сигналы выделяются из группового сигнала, меняют длину волны на стандартную (на транспондере), и передаются клиенту. Из-за несовершенства волокна оптический сигнал имеет свойство затухать. Для того, чтобы его усилить на оптической линии используются усилители.

dwdm_ru

Мы рассмотрели работу системы DWDM в общем виде. Далее будет более подробное изложение компонентов DWDM системы.

Транспондер DWDM — частотный преобразователь, обеспечивает интерфейс между оборудованием оконечного доступа и линией DWDM. Изначально транспондер предназначался для преобразования клиентского сигнала (оптического, электрического) в оптический сигнал с длиной волны в диапазоне 1550 нм (характерной для DWDM-систем). Однако со временем в транспондерах появилась функция регенерации сигнала. Регенерация сигнала быстро прошла три стадии развития — 1R, 2R, 3R.





  • 1R — ретрансляция. Восстанавливается только амплитуда. Это ограничивало протяженность ранних систем DWDM, так как по сути остальные параметры (фаза, форма) не восстанавливались и в итоге получался «мусор на входе — мусор на выходе».
  • 2R — восстановление амплитуды сигнала и его длительности. В этих транспондерах использовался триггер Шмидта для очистки сигнала. Не получили большой популярности.
  • 3R — восстановление амплитуды сигнала, его длительности и фазы. Полностью цифровое устройство. Способен распознавать служебные байты управляющего уровня SONET/SDH — сетей.

transponder_dwdm

Мукспондер DWDM (мультиплексор-транспондер) — это система, выполняющая временное мультиплексирование низкоскоростного сигнала в высокоскоростную несущую.

muxponder_dwdm

(Де)мультиплексор DWDM — это устройство, которое с помощью различных методов волнового разделения объединяют несколько оптических сигналов для передачи сигналов по оптическому волокну и разделяют эти сигналы после передачи.

mux_dwdm

Часто требуется добавить в составной сигнал и выделить из него только один канал, не меняя при этом всю структуру сигнала. Для этого применяются мультиплексоры ввода/вывода каналов OADM (Optical Add/Drop Multiplexer), которые выполняют эту операцию, не преобразуя сигналы всех каналов в электрическую форму.

odm_dwdm

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

edfa_dwdm

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

vpa_dwdm

Оптическое волокно и некоторые компоненты систем DWDM обладают хроматической дисперсией. Показатель преломления волокна зависит от длины волны сигнала, что приводит к зависимостям скорости распространения сигнала от длины волны (материальная дисперсия). Даже если показатель преломления не зависил 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. При большой протяженности линии это приводит к тому, что  близко идущие импульсы начинают перекрываться, ухудшая сигнал. Устройства компенсации дисперсии DCD придают сигналу равную по величине, но противоположную по знаку дисперсию и восстанавливают первоначальную форму импульсов.

dcm_dwdm

Системы DWDM имеют множество топологий: кольцевая, ячеистая, линейная. Рассмотрим наиболее популярную сегодня кольцевую топологию. Кольцевая топология обеспечивает живучесть сети DWDM за счет резервных путей. Для того, чтобы какое-либо соединение было защищено, между его конечными точками устанавливаются два пути — основной и резервный. Мультиплексор конечной точки сравнивает два сигнала и выбирает сигнал лучшего качества (или сигнал, заданный по-умолчанию).

colc_dwdm


 

  • На будущее планирую написать статью про конкретное оборудование DWDM — BTI. Так что следите за обновлениями.