Технология уплотненного волнового мультиплексирования (Dense Wave Division Multiplexing, DWDM ) предназначена для создания оптических магистралей нового поколения, работающих на мультигигабитных и терабитных скоростях. Информация в волоконно-оптических линиях связи передаётся одновременно большим количеством световых волн. Сети DWDM работают по принципу коммутации каналов, при этом каждая световая волна представляет собой отдельный спектральный канал и несет собственную информацию.
Возможности DWDM
Количество каналов в одном волокне – 64 световых пучков в окне прозрачности 1550 нм. Каждая световая волна переносит информацию на скорости до 40 Гбит/с. Также ведутся разработки оборудования со скоростями передачи данных на скоростях до 100 Гбит/с и у компании Cisco уже имеются успехи в разработки подобной техники.
У технологии DWDM имеется предшественница — технология волнового мультиплексирования (Wave Division Multiplexing, WDM) , в которой используется четыре спектральных канала в окнах прозрачности 1310 нм и 1550 нм с разносом несущих в 800-400 ГГц. Мультиплексирование DWDM называется «уплотненным» из-за того, что в нем используется существенно меньшее расстояние между длинами волн, чем в WDM.
Частотные планы
На сегодня рекомендацией G.692 сектора ITU-T определены два частотных плана (то есть набора частот, отстоящих друг от друга на некоторую постоянную величину):
- Частотный план с шагом (разнесением частот между соседними каналами) 100 ГГц (ДА = 0,8 нм), в соответствии с которым для передачи данных применяется 41 волна в диапазоне от 1528,77 (196,1 ТГц) до 1560,61 нм (192,1 ТГц);
- Частотный план с шагом 50 ГГц (ДА = 0,4 нм), позволяющий передавать в этом же диапазоне 81 длину волны.
- Некоторыми компаниями выпускается также оборудование, называемое оборудованием высокоуплотненного волнового мультиплексирования (High-Dense WDM, HDWDM), способное работать с частотным планом с шагом 25 ГГц .
Главное проблемой при построении сверхплотных систем DWDM является то, что с уменьшением шага частот происходит перекрытие спектров соседних каналов и происходит размытие светового пучка. Что ведёт к увеличению числа ошибок и невозможности передачи информации по систем
Частотные планы DWDM В настоящее время используются следующие частотные планы для различных разновидностей систем DWDM, CWDM, HDWDM, WDM.
Частотные планы DWDM ## Волоконно-оптические усилители
Практический успех технологии DWDM во многом определил появление волоконно-оптических усилителей. Оптические устройства непосредственно усиливают световые сигналы в диапазоне 1550 нм, исключая необходимость промежуточного преобразования их в электрическую форму, как это делают регенераторы, применяемые в сетях SDH. Недостаток систем электрической регенерации сигналов в том, что они должны воспринимать определенный вид кодирования, что делает их весьма дорогими. Оптические усилители, «прозрачно» передающие информацию, позволяют наращивать скорость магистрали без необходимости модернизировать усилительные блоки. Протяженность участка между оптическими усилителями может достигать 150 км и более, что обеспечивает экономичность создаваемых магистралей DWDM, в которых длина мультиплексной секции составляет на сегодня 600-3000 км при применении от 1 до 7 промежуточных оптических усилителей.
В рекомендации ITU-T G.692 определено три типа усилительных участков, то есть участков между двумя соседними мультиплексорами DWDM:
- L (Long) — участок состоит максимум из 8 пролетов волоконно-оптических линий связи и 7 оптических усилителей, максимальное расстояние между усилителями — до 80 км при общей максимальной протяженности участка 640 км;
- V (Very long) — участок состоит максимум из 5 пролетов волоконно-оптических линий связи и 4 оптических усилителей, максимальное расстояние между усилителями — до 120 км при общей максимальной протяженности участка 600 км;
- U (Ultra long) — участок без промежуточных усилителей длиной до 160 км
Ограничения на количество пассивных участков и их длину связаны с деградацией оптического сигнала при оптическом усилении. Хотя оптический усилитель восстанавливает мощность сигнала, он не полностью компенсирует эффект хроматической дисперсии (то есть распространения волн разной длины с разной скоростью, из-за чего сигнал на приемном конце волокна «размазывается»), а также другие нелинейные эффекты. Поэтому для построения более протяженных магистралей необходимо между усилительными участками устанавливать мультиплексоры DWDM, выполняющие регенерацию сигнала путем его преобразования в электрическую форму и обратно. Для уменьшения нелинейных эффектов в системах DWDM применяется также ограничение мощности сигнала.
Типовые топологии
Сверхдальняя двухточечная связь на основе терминальных мультиплексоров DWDM
Сверхдальняя двухточечная связь на основе терминальных мультиплексоров DWDM Цепь DWDM с вводом-выводом в промежуточных узлах
Цепь DWDM с вводом-выводом в промежуточных узлах Кольцевая топология
Кольцевая топология обеспечивает живучесть сети DWDM за счет резервных путей. Методы защиты трафика, применяемые в DWDM, аналогичны методам в SDH. 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.
Кольцо мультиплексоров DWDM Ячеистая топология
По мере развития сетей DWDM в них все чаще будет применяться ячеистая топология, которая обеспечивает лучшие показатели в плане гибкости, производительности и отказоустойчивости, чем остальные топологии. Однако для реализации ячеистой топологии необходимо наличие оптических кросс-коннекторов (Optical Cross-Connector, ОХС), которые не только добавляют волны в общий транзитный сигнал и выводят их оттуда, как это делают мультиплексоры ввода-вывода, но и поддерживают произвольную коммутацию между оптическими сигналами, передаваемыми волнами разной длины.
Ячеистая топология DWDM ## Оптические мультиплексоры ввода-вывода
В сетях DWDM используются пассивные (без электропитания и активного преобразования) и активные мультиплексоры-демультиплескоры.
| Пассивные мультиплексоры | Активные мультиплексоры |
|---|---|
| Число выводимых световых волн невелико | Число световых волн ограничено применяемым частотным планом и набором световых волн |
| Позволяет выводить и вводить сигнал одной световой волны без изменения спектра общего светового пучка | Не вносит дополнительного затухания, поскольку производит полное демультиплексирование всех каналов и преобразование в электрическую форму |
| Вносят дополнительное затухание | Обладает высокой стоимость |
| Обладает бюджетной стоимостью |
Оптические кросс-коннекторы
В сетях с ячеистой топологией необходимо обеспечить гибкие возможности для изменения маршрута следования волновых соединений между абонентами сети. Такие возможности предоставляют оптические кросс-коннекторы, позволяющие направить любую из волн входного сигнала каждого порта в любой из выходных портов (конечно, при условии, что никакой другой сигнал этого порта не использует эту волну, иначе необходимо выполнить трансляцию длины волны).
Существуют оптические кросс-коннекторы двух типов:
- оптоэлектронные кросс-коннекторы с промежуточным преобразованием в электрическую форму;
- полностью оптические кросс-коннекторы, или фотонные коммутаторы.
Микроэлектронные механические системы (MicroElectro Mechanical System, MEMS) ## Факторы, учитываемые при построении систем DWDM
Хроматическая дисперсия Хроматическая дисперсия - в результате ее влияния, по мере распространения по волокну, импульсы, составляющие оптический сигнал, становятся шире. При передаче сигналов на большие расстояния импульсы могут накладываться на соседние, затрудняя точное их восстановление. С увеличением скорости передачи и длины оптического волокна влияние хроматической дисперсии возрастает. Для уменьшения влияния хроматической дисперсии на передаваемые сигналы, применяются компенсаторы дисперсии.
Поляризационная модовая дисперсия Поляризационная модовая дисперсия , возникает в оптическом волокне из-за разности скоростей распространения двух взаимно перпендикулярных поляризационных составляющих моды, что приводит к искажению формы передаваемых импульсов. Причиной этого явления является неоднородность геометрической формы оптического волокна. Влияние поляризационной модовой дисперсии на передаваемые оптические сигналы возрастает с увеличением скорости передачи, с увеличением числа каналов системы уплотнения и с увеличением длины волокна.
Вынужденное обратное рассеяние Мандельштама — Бриллюэна , суть этого явления заключается в создании оптическим сигналом периодических областей с переменным показателем преломления - своего рода виртуальную дифракционную решетку, проходя через которую сигналы распространяются подобно акустической волне. Отраженные этой виртуальной решеткой сигналы, складываются и усиливаются, образуя обратный оптический сигнал с доплеровским понижением частоты. Данное явление приводит к увеличению уровня шумов и препятствует распространению оптического сигнала, так как большая часть его мощности рассеивается в обратном направлении. Часто это явление ошибочно называют отраженной акустической волной.
Фазовая автомодуляция , при высоких уровнях мощности сигнала от лазера, может происходить модуляция сигналом собственной фазы. Эта модуляция расширяет спектр и уширяет или сжимает сигнал во времени в зависимости от знака хроматической дисперсии. В системах плотного спектрального уплотнения, сигнал с расширенным автомодуляцией спектром, может накладываться на сигналы соседних каналов. Фазовая автомодуляция увеличивается при возрастании мощности сигнала, при увеличении скорости передачи и при отрицательной хроматической дисперсии. Влияние фазовой автомодуляции уменьшается при нулевой или небольшой положительной хроматической дисперсии
Перекрестная фазовая модуляция , в результате этого явления сигнал одного канала модулирует фазы сигналов у соседних каналов. Факторы, влияющие на перекрестную фазовую модуляцию, совпадают с факторами, влияющими на фазовую автомодуляцию. Помимо этого, влияние перекрестной фазовой модуляции зависит от числа каналов в системе.
Четырехволновое смешение , проявляется при достижении порогового уровня мощности излучения лазера, в этом случае нелинейные характеристики волокна приводит к взаимодействию трех волн и появлению новой четвертой волны, которая может совпасть с частотой другого канала. Такое наложение частот приводит к увеличению уровня помех и затрудняет прием сигнала
Вносимый усилителем edfa шум , причина этого явления - мощность усиленного спонтанного излучения, возникающая вследствие конструктивных особенностей усилителей edfa. В процессе прохождения через усилитель, к полезной составляющей оптического сигнала добавляется шум, таким образом, уменьшается отношение "сигнал/шум", в результате сигнал может быть принят с ошибками. Это явление ограничивает количество усилителей в линии.
