Технология плотного спектрального уплотнения (DWDM)

Технология плотного спектрального уплотнения (DWDM)

«По-настоящему владеет информацией только тот,
кто может организовать ее доставку…»

Традиционные технологии телекоммуникаций позволяют по одному оптическому волокну передать только один сигнал. Суть же технологии спектрального, или оптического уплотнения заключается в возможности организации множества раздельных сигналов SDH по одному волокну, а, следовательно, многократном увеличении пропускной способности линии связи.

Основы этой технологии были заложены в 1958, еще до появления самой волоконной оптики. Однако прошло около 20 лет, прежде чем были созданы первые компоненты мультиплексных систем. Первоначально они создавались для лабораторных исследований, и лишь в 1980 году технология спектрального уплотнения (Wavelength Division Multiplexing, WDM) была предложена для телекоммуникаций. А еще через пять лет в исследовательском центре компании AT&T была реализована технология плотного спектрального уплотнения (Dense Wavelength Division Multiplexing, DWDM), когда удалось в одном оптическом волокне создать 10 каналов по 2 Gbps.

Принцип мультиплексирования (рис. 1), используемый DWDM, имеет аналог - в наиболее старой и заслуженной технологии мультиплексирования с разделением по частоте (Frequency Division Multiplexing, FDM), применяемой в аналоговой телефонии. Подобно тому, как видимый человеческим глазом свет состоит из различных цветов, на которые можно его разложить, а затем опять собрать, так и передаваемый по технологии DWDM световой поток, состоит из различных длин волн (λ). Действительно, так как длина волны обратно пропорциональна ее частоте, то "смешивание" в одном волокне световых сигналов с разной длиной волны - это "смешивание" сигналов разной частоты, но только в совершенно другом диапазоне - терагерцовом, а не килогерцовом, как в FDM, т.е. по одному волокну можно передавать более сотни стандартных каналов.

Рис. 1. Мультиплексирование в DWDM

 

Естественно, свет - это сигнал качественно другой природы, нежели электрический ток, поэтому оборудование для мультиплексирования световых волн кардинально отличается от модуляторов и фильтров, применяемых в сетях FDM, однако у принципов FDM и DWDM есть некоторая общность.

DWDM-технология пришла на смену своей предшественницы - технологии WDM, которая использует четыре спектральных канала в окнах прозрачности 1310 нм и 1550 нм, с разносом несущих в 800 - 400 ГГц (стандартной классификации WDM не существует, встречаются системы WDM и с другими характеристиками).

Мультиплексирование DWDM называется "плотным" из-за того, что в нем используется существенно меньшее расстояние между длинами волн, чем в WDM. На сегодня рекомендацией ITU-T G.692 определены: частотный план с разнесением частот между соседними каналами 100 ГГц ( 0,8 нм), в соответствии с котором для передачи данных применяется 41 волна в диапазоне от 1528,77 нм (196, 1 ТГц) до 1560,61 нм (192,1 ТГц), и частотный план с шагом в 50 ГГц ( 0,4 нм), позволяющий передавать в этом же диапазоне 81 длину волны. Некоторыми компаниями выпускается также оборудование, способное работать с частотной сеткой с шагом 25 ГГц (называемое High-Dense WDM, HDWDM).

Реализация частотных планов с шагом 50 ГГц и 25 ГГц предъявляет гораздо более жесткие требования к оборудованию DWDM, особенно в том случае, если каждая волна переносит сигналы со скоростью модуляции 10 Гбит/с и выше (STM-64, STM-256 или 10GE). Это связано с тем, что ширина спектра передаваемого сигнала (при потенциальном кодировании NRZ, применяемом в системах SDH и 10GE) пропорциональна частоте модуляции, поэтому спектр сигнала STM-64 примерно в четыре раза шире спектра сигнала STM-16. Теоретически зазоры между соседними волнами в 50 ГГц и даже 25 ГГц позволяют передавать данные со скоростями 10 Гбит/c, но при этом нужно обеспечить высокую точность частоты и минимально возможную ширину спектра несущей волны, а также снизить уровень шумов, чтобы минимизировать эффект перекрытия спектра, показанный на рисунке 2.


Общий принцип передачи и приема DWDM-системы представлен на рис. 3. Для того чтобы организовать в одном волокне несколько оптических каналов сигналы SDH «окрашивают», то есть меняют оптическую длину волны для каждого такого сигнала. «Окрашенные» сигналы смешиваются при помощи мультиплексора и передаются в оптическую линию. В конечном пункте происходит обратная операция - «окрашенные» сигналы SDH выделяются из группового сигнала и передаются потребителю.

Рис. 3. Принцип DWDM-системы

 

Естественно, что для того чтобы передавать по одному волокну множество волновых потоков, технология DWDM обеспечена оборудованием особой точности. Так, погрешность длины волны, которую обеспечивает стандартный лазер, применяемый в телекоммуникациях, примерно в сто раз больше, чем требуется в системе DWDM.

По мере прохождения по оптическому волокну сигнал постепенно затухает. Для того чтобы его усилить, используются оптические усилители. Протяженность участка между оптическими усилителями может достигать 160 км и более, что обеспечивает экономичность создаваемых магистралей DWDM, в которых длина мультиплексной секции составляет на сегодня 600-3000 км при применении 1-7 промежуточных оптических усилителей. Это позволяет передавать данные на расстояния до 4000 км без перевода оптического сигнала в электрический (для сравнения, в SDH это расстояние не превышает 200 км).

Новые исследования в области EDFA привели к появлению усилителей, работающих в так называемом L-диапазоне (4-е окно прозрачности), от 1570 нм до 1605 нм. Использование этого диапазона, а также сокращение расстояния между волнами до 50 ГГц и 25 ГГц позволяет нарастить количество одновременно передаваемых длин волн до 80 - 160 и более, то есть обеспечить передачу трафика со скоростями 800 Гбит/с - 1,6 Тбит/с в одном направлении по одному оптическому волокну. Так, аппаратура, используемая при построении DWDM-сети Компании ТрансТелеКом, в максимальной конфигурации позволяет задействовать до 160 длин волн.

При анализе возможностей технологии DWDM должно учитываться, что по существу она является продолжением и развитием уже известных методов преобразования сигнала при его передаче по ВОЛС, в частности, с использованием оборудования синхронной цифровой иерархии SDH/SONET. В системном плане технология SDH является стандартом МСЭ. SDH/SONET-технология разрабатывалась для обеспечения широкого набора услуг связи и, прежде всего, широкополосной ISDN. Эта технология обеспечивает передачу цифрового трафика на фиксированных скоростях от 2 Мбит/c до 40 Гбит/c. Технология DWDM на сегодняшний день позволяет передавать широкополосный сигнал со скоростью от 2,5 до 160 Гбит/c. В дальнейшем верхний предел скорости передачи может быть существенно увеличен. Согласно мировым тенденциям, развитие телекоммуникаций будущего связано с пакетными и IP–сетями. Поэтому в перспективе сети, базирующиеся полностью на SDH–технологии, постепенно потеряют свое значение. Совместное применение оборудования SDH и DWDM и широко распространенного на существующих сетях оборудования стандарта PDH обеспечит гибкий и безболезненный переход к полностью IP–совместимым сетям. Такой сценарий развития удовлетворяет требованиям как к функциональности, так и к пропускной способности сетей.

Сети DWDM проходят в своем развитии те же этапы, что и сети SDH. Как в SDH-технологии, так и DWDM-технологии имеются базовые наборы стандартных топологий сети:
- точка-точка;
- кольцо, шина, дерево и звезда;
- сотовая структура.

Естественным развитием топологии "точка - точка" является построение DWDM-сети, в которой промежуточные узлы выполняют функции мультиплексоров ввода-вывода (рис. 4).

 

Можно выделить четыре основных узла оборудования DWDM
1. оптический терминальный мультиплексор (Optical Terminal Multiplexer - OTM),
2. регенератор (Regenerator - REG),
3. оптический усилитель (Optical Line Amplifier - OLA),
4. оптический мультиплексор ввода-вывода (Optical Add Drop Multiplexer - OADM).

Оптические мультиплексоры ввода-вывода (OADM) могут вывести из общего оптического сигнала волну определенной длины и ввести туда сигнал этой же длины волны, так что спектр транзитного сигнала не изменится, а соединение будет выполнено с одним из абонентов, подключенных к промежуточному мультиплексору. OADM может выполнять операции ввода-вывода волн оптическими средствами или с помощью промежуточного преобразования в электрическую форму. Обычно полностью оптические (пассивные) мультиплексоры ввода-вывода могут отводить небольшое число волн, так как каждая операция вывода требует последовательного прохождения оптического сигнала через оптический фильтр, который вносит дополнительное затухание. Для связи на большие расстояния требуется восстанавливать групповой сигнал через каждые 600 км. И тогда вместо OADM в некоторых точках необходимо установить регенераторы. В отличие от классических SDH-мультиплексоров мультиплексоры ADM не задействуют матрицу кросс-коммутации и не выполняют дополнительных преобразований O-E-O. Если же мультиплексор использует электрическую регенерацию сигнала, то количество выводимых волн может быть любым в пределах имеющегося набора волн, так как транзитный оптический сигнал предварительно полностью демультиплексируется.

При управлении сетями DWDM применяются те же принципы и подходы, что и при управлении сетями SDH: многоуровневая архитектура TMN, встроенные агенты с интерфейсом Q3 и выделение служебной полосы для передачи управляющей информации по тем же физическим каналам, что и пользовательских данных. Для передачи управляющей информации обычно выделяется отдельная волна, не попадающая в диапазон ITU (и собственный диапазон производителя, если он отличается от стандартного), например, 1625 нм или 1480 нм. На этой волне управляющие данные передаются с относительно невысокой скоростью 2 - 100 Мбит/с, достаточной для выполнения задач мониторинга, контроля и формирования новых соединений.

Технология плотного волнового (спектрального) мультиплексирования (DWDM) предназначена для создания оптических магистралей нового поколения, работающих на мультигигабитных и терабитных скоростях. Такой качественный скачок производительности обеспечивает принципиально иной, нежели у SDH, метод мультиплексирования - информация в оптическом волокне передается одновременно большим количеством световых волн (лямбд - от традиционного для физики обозначения длины волны). Каждая волна несет собственную информацию, при этом для оборудования DWDM неважно, каким способом она кодируется, и какие протоколы используются для передачи данных - устройства DWDM занимаются только объединением различных волн в одном световом пучке, а также выделением из общего сигнала.

На рисунке 5 показаны возможности увеличения полосы пропускания (или информативности) ВОЛС за счет применения DWDM-технологии для стандартных синхронных сетей передачи информации и синхронных оптических сетей (SDH/SONET) с информационными емкостями каждого канала 2,5 Гбит/с, 10 Гбит/с и 40 Гбит/с.

Рис. 5. Зависимость полной скорости передачи информации по оптическому волокну от числа мультиплексируемых спектральных каналов для трех скоростей в каждом канале

 

Из рис. 5 видно, что DWDM-технология позволяет увеличивать пропускную способность волоконно-оптического канала вплоть до нескольких Тбит/с только в одном окне прозрачности оптического волокна.

Таким образом, основные преимущества технологии DWDM состоят в следующем:
• Дальнейшее повышение коэффициента использования частотного потенциала оптического волокна (его теоретическая полоса пропускания - 25 000 ГГц) - достижение терабитных скоростей.
• Отличная масштабируемость - повышение суммарной скорости сети за счет добавления новых спектральных каналов без необходимости замены всех магистральных модулей мультиплексоров (что требуется для перехода к новому уровню STM-N в сетях SDH).
• Экономическая эффективность за счет отказа от электрической регенерации на участках сети большой протяженности.
• Независимость от протокола передачи данных - технологическая "прозрачность", позволяющая передавать через магистраль DWDM трафик сетей любого типа.
• Независимость спектральных каналов друг от друга.
• Совместимость с технологией SDH - мультиплексоры DWDM оснащаются интерфейсами STM-N, способными принимать и передавать данные мультиплексоров SDH.
• Совместимость с технологиями семейства Ethernet - Gigabit Ethernet и 10GE.
• Стандартизация на уровне ITU-T.

DWDM-технология рассматривается уже не только как средство повышения пропускной способности оптического волокна, а как наиболее надежная технология для опорной инфраструктуры мультисервисных и мобильных сетей, обеспечивающая резкое повышение пропускной способности сети и реализующая широкий набор принципиально новых услуг связи. Возможность DWDM интегрироваться с ATM, IP, ASDL и другими перспективными технологиями и протоколами передачи цифровой информации делает ее незаменимой в процессе конвергенции между различными видами и службами связи.

С успехами DWDM связано еще одно перспективное технологическое направление - полностью оптические сети (All-Optical Networks). В таких сетях все операции по мультиплексированию/демультиплексированию, вводу-выводу и кросс-коммутации (маршрутизации) пользовательской информации выполняются без преобразования сигнала из оптической формы в электрическую (такие устройства и сети имеют обозначение "O-O-O", а аббревиатура "O-E-O" применяется для традиционных оптико-электронных устройств). Исключение преобразований в электрическую форму позволяет существенно удешевить сеть, но возможности оптических технологий пока еще недостаточны для создания полностью оптических сетей нужного масштаба, поэтому практическое применение таких сетей ограничено фрагментами сети, между которыми выполняется электрическая регенерация сигнала.

В качестве примера практического использования DWDM-технологии может служить международная магистральная телекоммуникационная сеть (RETN - Real Time Network), которая использует оборудование DWDM на наиболее загружаемых трафиком участках, значительно увеличивая пропускную способность (capacity) без увеличения количества волокнно-оптических линий.

RETN (рис. 6) оказывает услуги передачи данных, голоса и IP-трафика между крупнейшими телекоммуникационными узлами мира и России. Услугами сети пользуются более 1200 российских и зарубежных операторов связи, точек обмена трафиком, дата-центров и около 900 международных компаний.

Рис. 6. Международная сеть RETN

 

В настоящее время продолжается развитие сети на территории России, Европы, Китая и США. Одна из актуальных задач — завершение строительства панъевропейского DWDM-кольца (Россия — Скандинавия — Северная Европа — Центральная Европа — Восточная Европа — Украина — Россия).

Пропускная способность каналов на основных направлениях достигает 400 GE. Сеть имеет офисы в Москве, Санкт-Петербурге, Лондоне, Киеве и представителей в Финляндии и США.


ИСПОЛЬЗОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА

1. Н.Н.Слепов. Синхронные цифровые сети SDH. - М.: ЭКО-ТРЕНДЗ, 1998

2. А.Кошелев, А.Фильчаков. Оптоволоконные сети и технология DWDM - Журнал КомпьютерПресс, 2001, № 1.