|
Технология CWDM как простой и экономичный вариант спектрального уплотнения каналов
Введение
Задача увеличения пропускной способности волоконно-оптических линий связи (ВОЛС) всегда решалась с помощью различных методов мультиплексирования. В настоящее время совершенствование волоконно-оптических систем передачи в первую очередь связано с развитием технологий спектрального уплотнения каналов WDM (Wavelength Division Multiplexing).
Технология спектрального уплотнения каналов с разделением по длинам волн появилась в начале 80-х годов и поначалу предназначалась для магистральных линий связи, но с 90-х годов WDM стала широко применяться в городских и региональных сетях MAN (Metropolitan Access Network). По мнению специалистов, развитие волоконной оптики и волоконно-оптических систем передачи, включая технологию WDM, несмотря на достигнутые успехи все еще находится в середине своего пути.
Сети MAN (особенно городские) очень чувствительны к стоимости оборудования и для них наиболее интересной и перспективной технологией стала технология неплотного спектрального уплотнения CWDM (Coarse WDM). Рассмотрим данную технологию более подробно.
CWDM как технология
Системы со спектральным уплотнением имеют несколько вариантов своей реализации. В таблице 1 приведен наиболее распространенный вариант классификации:
Где:
O – первичный диапазон (Original, 1260-1360 нм),
E – расширенный диапазон (Extended, 1360-1460 нм),
S – коротковолновый диапазон (short wavelength, 1460-1530 нм),
C – стандартный диапазон (Conventional, 1530-1570),
L – длинноволновый диапазон (Long wavelength, 1570-1625 нм).
Технология CWDM характеризуется достаточно большим интервалом между каналами (20 нм или 25 нм), что обеспечивает ей более широкую полосу частот по сравнению с другими WDM технологиями. Это позволяет иметь несколько стандартных для оптических систем связи диапазонов частот («окон прозрачности»). В CWDM-системах можно организовать до 18 каналов и использовать как многомодовые, так и одномодовые волокна.
Однако в CWDM-системах существуют две проблемы:
на более коротких длинах волн потери излучения почти вдвое больше, что заметно снижает дальность передачи,
существует ограничение по числу получаемых каналов из-за пика поглощения на длине волны 1383 нм, обусловленного наличием в волокне гидроксильной группы ОН (рис.1).
Рис.1
Поначалу, согласно рекомендации G.694.2, использовался только диапазон волн 1470 – 1610 нм (8 длин волн), а область 1260 – 1360 вообще не использовалась из-за увеличения затухания на длинах менее 1310 нм (увеличивается коэффициент Релеевского рассеяния).
Для компенсации эффекта поглощения на длине волны 1383 нм стали применять специальные волокна с нулевым «водяным пиком» (ZWPF, LWPF).
На практике число каналов обычно не превышает 16. В CWDM-системах при скорости передачи в одном канале 2,5 Гбит/с по 16 каналам обеспечивается скорость до 40 Гбит/с.
Если система использует весь диапазон волн 1270 – 1610 нм, то ее называют FS-CWDM-системой (Full-spectrum CWDM).
Выше мы упоминали, что в настоящее время технология CWDM получает все большее распространение на городских и региональных сетях MAN. Крупные операторы при модернизации существующих сетей дополнительно к системам SDH/ATM/IP начинают активно использовать CWDM-системы.
Технология CWDM позволяет значительно увеличить экономическую эффективность использования сети с минимальными затратами на реализацию данного решения. В настоящее время технология CWDM по параметру дальности может обеспечить выполнение тех же требований, что и DWDM-технология.
Сети MAN для передачи данных используют большой спектр различных протоколов, скоростей и топологий. Устройства CWDM являются прозрачными для любого вида и любой скорости передаваемой информации и могут стать звеном между магистральной сетью и сетью доступа.
Технология CWDM инвариантна (независима) к различным протоколам передачи информации. Это позволяет создавать различные телекоммуникационные услуги в одной транспортной среде.
Большое межканальное частотное расстояние в системах CWDM позволяет значительно уменьшить стоимость активных и пассивных компонентов по сравнению с DWDM-системой.
Благодаря гибкой системе передачи технология CWDM позволяет конструировать различные топологии сети. Рассмотрим наиболее часто реализуемые из них:
топология «точка-точка»
Информация передается по каналам между двумя точками. В узлах, где происходит обьединение/разьединение потоков из разных волокон устанавливаются мультиплексоры/демультиплексоры. При помощи таких систем можно решать задачи передачи большого числа видео- и аудиоданных в реальном масштабе времени при ограничении волокон в оптической сети.
топология с ответвлениями (add-and-drop).
Передача информации от узла к узлу происходит через промежуточные узлы, где организованы вводы/выводы отдельных каналов. Дальность связи несколько уменьшается за счет потерь в промежуточных узлах. Такая система применяется при видеонаблюдении на транспортных магистралях, нефтегазопроводах и других протяженных обьектах.
топология «кольцо».
Узлы с выделениями обьединены в кольцо. Такая топология решает задачи охраны периметра. При разрыве «кольца» сеть сохраняет способность передачи информации между любыми узлами.
Таким образом, гибкая система передачи в сетях с CWDM позволяет эффективно решать задачи видеонаблюдения, обеспечивая высококачественную передачу видеоданных без задержек. В системах CWDM задержки сигнала составляют порядка единиц наносекунд, в то время как сетевые системы IP и ATM имеют задержки порядка ста миллисекунд и более. Поэтому системы CWDM часто используются в аппаратуре для многоканальной передачи видеосигналов вместе с аудиосигналами или данными и Ethernet-трафиком по одному волокну.
К наиболее важным факторам, определяющим выбор технологии CWDM для городских и региональных сетей, относятся:
1. Протяженность сетей, которая обычно составляет величину порядка 50-80 км. Современное оборудование CWDM перекрывает расстояние до 120 км, что снижает требования к оптическим приемопередатчикам и исключает необходимость использования усилителей и регенераторов.
2. В рассматриваемых сетях необходима независимая передача информации различного типа и с разной скоростью (Ethernet, АТМ, SDH) без дополнительных преобразователей и конверторов.
3. Цена организации сети должна быть как можно более низкой при сохранении высокого уровня надежности и качества.
Основы построения CWDM-систем
В 2002 г. МСЭ принял стандарт, определяющий несущие частоты для систем CWDM – рекомендация ITU-T G.694.2. Согласно данной рекомендации, кроме известных диапазонов C, S и L, в системах CWDM появляются два новых диапазона длин волн – диапазон O (1260-1360 нм) и диапазон E (1360-1460 нм) – см. табл.1 выше.
На рис 2. приведено распределение длин волн по диапазонам:
Рис.2
В 2003 г. МСЭ утвердил рекомендацию ITU-T G.695, определяющую допустимые значения затухания сигнала, уровня мощности и перекрываемого расстояния.
Наряду с ранее выбранной скорость 2.5 Гбит/с была регламентирована новая скорость передачи – 1.25 Гбит/с, что позволило упростить и унифицировать применение преобразователей Gigabit Ethernet в мультиплексорах CWDM. Технология CWDM применяется для волнового (спектрального) уплотнения нескольких каналов Gigabit Ethernet в одну пару физического оптоволокна, что экономит ресурс волокна и дает возможность получить новые топологические решения с использованием оптических мультиплексоров.
Технология CWDM может применяться везде, где используется передача Ethernet-трафика по оптической линии, и при этом она не предъявляет новых требований к оптоволокну. Таким образом, один и тот же ресурс используется для нескольких Gigabit потоков (на одно волокно – до 8 потоков).
Достоинства технологии CWDM и перспективы ее развития
Обычно если сравнивать технологии CWDM и DWDM, то важным преимуществом систем CWDM являются габариты, энергопотребление и стоимость оборудования.
Сегодня DWDM оборудование для метро-сетей (например, система WBM-21
производства компании « OlenCom Electronics») потребляют не больше энергии
и имеют приемлемые габариты, но правда остаются достаточно дорогими.
Обобщая преимущества CWDM-систем, выделим следующие:
компактность оборудования,
низкое потребление электроэнергии,
возможность использования многомодовых волокон,
существенное уменьшение капитальных затрат,
снижение эксплуатационных расходов.
Системы CWDM обеспечивают относительно малое число оптических каналов (16-18), но это не следует считать недостатком, так как такое количество каналов обычно превышает современные потребности операторов связи в полосе пропускания.
Относительно большое расстояние между волнами соседних каналов в системах CWDM позволяет создавать дешевые коммутационные элементы для оптических мультиплексоров ввода/вывода (OADM – Optical Add-Drop Multiplexer) и оптических кросскоммутаторов (OXC – Optical cross Connector).
Дальнейшая перспектива развития CWDM-систем – это создание гибридных систем. Важной характеристикой сети является ее способность к масштабированию, т.е. к наращиванию сети в процессе ее эксплуатации без замены всего оборудования. Создание гибридных систем является наилучшим способом увеличения числа каналов системы без замены оборудования.
Теоретически в диапазоне волн для одного канала CWDM можно разместить до 15 каналов DWDM с шагом между несущими 0.8 нм. Это позволяет увеличить емкость 8-канальной CWDM-системы до 120-канальной. Практически уже реализованы системы, заполняющие один CWDM-канал восемью каналами DWDM, что увеличивает емкость 8-канальной системы CWDM до 64 каналов.
Таким образом мы видим, что технология CWDM предлагает современные, надежные и дешевые решения для увеличения полосы пропускания при сохранении и даже увеличении гибкости и масштабируемости городских и региональных сетей.
Система WBM-21 производства компании OlenCom Electronics
Компания OlenCom Electronics предлагает операторам связи и корпоративным пользователям универсальную многоканальную модульную систему волнового мультиплексирования WBM-21, которая может быть выполнена в двух вариантах:
по технологии CWDM,
по технологии DWDM.
Мультиплексоры системы могут быть 8- и 16-канальными при работе по двум волокнам или 4- и 8-канальными при работе по одному волокну. Скорость передачи в каждом канале 2.5 Гбит/с. При изготовлении WBM-21 по технологии DWDM возможно построение систем емкостью до 48 каналов.
Прозрачные каналы системы поддерживают все известные протоколы в диапазоне 50 Мбит/с – 2.5 Гбит/с, а именно: STM-1, STM-4, STM-16, Gigabit Ethernet SX (LX), Fast Ethernet, FDDI, ATM, ESCON, FICON, Fiber-Channel 1x/2x, а также любой частный протокол в этом диапазоне.
Пара мультиплексоров WBM-21 работает на расстоянии до 120 км. При использовании регенераторов (входящих в линейку WBM-21) можно увеличить это расстояние в несколько раз. В варианте DWDM дальность можно увеличить при помощи эрбиевых волоконно-оптических усилителей (EDFA).
Мультиплексоры изготавливаются в стандартных 19-ти дюймовых корпусах высотой 1.5U (8 каналов) и 3U (16 каналов). Оптическая схема устройства организуется патч-кордами на лицевой панели мультиплексоров, что позволяет проводить замену оптических SFP модулей. В итоге обеспечивается масштабируемость сети и высокая надежность работы.
Система разработана с учетом использования резервного электропитания – это позволяет проводить горячую замену отказавшего блока питания. В системе WBM-21 возможно резервирование оптической магистрали по схеме 1+1. В этом случае мультиплексор оценивает качество обеих линий и автоматически переключает прием на резервную линию в случае понижения качества сигнала на основной ниже порогового значения. Переключение на резервную линию также возможно по инициативе оператора.
Система контроля и управления со служебным каналом Fast Ethernet отслеживает состояние каждого оптического порта SFP (локального и удаленного мультиплексора) и управляет их работой. В WBM-21 предусмотрено управление по протоколу SNMP с использованием платформ HP OpenView или Castle Rock.
Мультиплексоры системы WBM-21 изготавливаются в следующих вариантах:
Оптические мультиплексоры системы WBM-21 базируются на общем для всех
исполнений электронном модуле. В состав модуля входит:
одна главная плата в 8-ми канальном мультиплексоре или две такие же платы в
шестнадцатиканальном мультиплексоре;
плата контроля и управления;
первичный резервированный источник питания.
Каждая главная плата состоит из:
8-ми транспондеров, преобразующих оптические сигналы оконечного оборудования в сигналы фиксированной длины для последующего мультиплексирования;
схем тестовых петель для заворота сигнала в каждом SFP модуле;
трехпортового коммутатора Fast Ethernet с одним внутренним оптическим портом,
который преобразует служебный Fast Ethernet канал;
электронных компонентов схемы резервирования оптического тракта;
схемы сканирования параметра SFP модулей и управления транспондерами;
вторичных источников питания узлов платы.
В зависимости от реализованной в мультиплексоре оптической схемы,
возможны следующие варианты его исполнения:
мультиплексор-демультиплексор – MUX;
мультиплексор-демультиплексор со служебным каналом Fast Ethernet-MUX-OSC;
мультиплексор-демультиплексор с резервированием оптической магистрали и
служебным каналом Fast Ethernet – MUX-RDN-OSC;
мультиплексор добавления-извлечения каналов – OADM;
мультиплексор добавления-извлечения каналов с резервированием –OADM-RDN;
мультиплексор добавления-извлечения каналов двунаправленный – OADM-D;
мультиплексор-демультиплексор для работы по одному волокну – MUX-CO/CE;
мультиплексор-демультиплексор для работы по одному волокну со служебным
каналом Fast-Ethernet – MUX-CO/CE-OSC;
мультиплексор добавления-извлечения каналов двунаправленный для работы
по одному волокну – OADM-D-SO;
повторитель-регенератор – RPT;
повторитель-регенератор одноволоконный RPT-SO.
Все перечисленные варианты мультиплексоров могут поставляться вCWDM или
DWDM исполнениях.
Одноволоконные мультиплексоры СО и СЕ работают в паре – друг напротив
друга.
Мультиплексоры WBM-21 позволяют строить сети различной топологии. Ниже рассмотрим наиболее применяемые. Указанные на всех схемах транспондеры конст-
руктивно располагаются в электронном модуле. Восемь пар SFP коннекторов транс-
пондеров расположены в нижнем ряду коннекторов на лицевой панели мультиплек-
сора. Двенадцать коннекторов оптической части мультиплексора располагаются на
лицевой панели в верхнем ряду. На каждой из схем элементы и соединения (в пределах голубого прямоугольника), располагаются внутри мультиплексора, выполняются при его сборке и не изменяются в процессе эксплуатации. Соединения, показанные на белом фоне любой из схем, выполняются патч-кордами на лицевой панели мультиплексора.
Рассмотрим некоторые оптические схемы различных вариантов использования
мультиплексора.
1. Топология «точка – точка» (рис.3).
Организуется 8 или 16 каналов по паре волокон, в зависимости от модификации оптического мультиплексора.
Рис.3. 8-канальная сеть связи с топологией «точка-точка».
В топологии «точка-точка» по паре волокон, кроме основных каналов может работать и служебный канал Fast Ethernet (FE).
2. В топологии «точка-точка» могут быть организованы промежуточные узлы ввода/вывода каналов, а также служебный канал FE (рис.4).
Рис.4. Сеть связи топологии «точка-точка» с одним промежуточным узлом и служебным каналом.
3. Топологию «точка-точка» можно реализовать и по одному волокну. Теперь каждому каналу предоставляется две волны и для CWDM-системы имеем 8 каналов, а для DWDM – до шестнадцати (рис.5).
Рис.5. Одноволоконная 8-канальная сеть связи топологии «точка-точка».
3. Одноволоконный вариант также может иметь промежуточные узлы с вводом/выводом каналов (рис.6).
Рис.6. Одноволоконная сеть связи топологии «точка-точка» с одним промежуточным узлом.
4. На рис.7 приведен вариант топологии «точка-точка» с резервным оптическим трактом.
Рис.7. Резервированная сеть связи «точка-точка».
5. Оборудование WBM-21 позволяет строить и конфигурацию типа «кольцо». Между каждой парой узлов требуется одно волокно, а для каждого канала выделяется только одна волна. И для системы CWDM получаем сеть с 16 каналами (рис.8).
Рис.8. Сеть кольцевой структуры.
В «кольце» также возможно резервирование магистральных кабелей.
Литература
1. РД 45.286-2002, «Аппаратура волоконно-оптической системы передач со спектральным разделением. Технические требования».
2. Дианов Е.М., Кузнецов А.А. Спектральное уплотнение каналов в волоконно-оптических линиях связи// Квантовая Электроника, 1983, №10, с.245-264.
3. Беловолок М.И., Гореленок А.Т., Дианов Е.М. и др. Макет волоконно-оптической линии связи со спектральным уплотнением в области 1,3 мкм.// Квантовая электроника, 1979, №6, с.2487-2490.
4. Light Reading News, «CWDM Gets a Boost», 05.11.2003.
5. Б.К.Чернов, И.С. Каминецкий. Технология грубого спектрального уплотнения CWDM // Lightwave Russian edition №2, 2004.
6. В.Никитин. Оптимальный вариант транспортной среды //БДИ, №2(59), апрель 2005.
7. Хеннинг Хиндертюр, Ларс Фридрих. От грубого мультиплексирования к точному // LAN №06/2004.
8. А.М. Меккель. Перспективы развития магистральных транспортных сетей // IKS online №6.2005.
|
Библиотека 
