Технологии оптического уплотнения xWDM

Федеральное агентство связи

ФГОБУ ВПО «Сибирский государственный

университет телекоммуникаций и информатики 

Уральский технический институт связи и информатики (филиал)

 

Кафедра «Автоматическая электрическая связь»

 

 

 

Реферат

«ТЕХНОЛОГИИ ОПТИЧЕСКОГО УПЛОТНЕНИЯ xWDM»

 

 

 

                                                                      Выполнил: Цайхнер Д.А.

             Гр. СЕ-91

                                                                                 Руководитель: Букрина Е.В.

 

 

 

 

Екатеринбург 2013

Оглавление

Введение 3

Технологии xWDM 3

Транспондеры и Трансиверы 7

Пассивные мультиплексоры 10

Оптические усилители и компенсаторы дисперсии 11

EDFA-усилители - общие принципы 12

Библиография 17

 

 

 

Введение

В прошлом осталось время, когда  емкость волоконно-оптических кабелей  казалась избыточной. Сегодня в очень  многих проложенных волоконно-оптических кабелях задействованы все волокна, и остро стоит проблема увеличения их канальной емкости. Единственное возможное решение – применение технологии спектрального уплотнения (DWDM/CWDM), которая становится обыденной  не только на магистральных линиях, но и в сетях абонентского доступа.

Ни для кого не секрет, что все новое в телекоммуникационном мире быстро становится повседневностью. Вот и технологии оптического  уплотнения xWDM стали привычными для  комплексного решения задач любой  степени сложности. Действительно, в настоящее время актуально  готовое законченное решение  для CWDM/DWDM-систем уплотнения, усиления, преобразования оптического сигнала  с полноценной системой управления для них.

Технологии xWDM

Напомним, в технологии DWDM для каждого канала служит своя частотная  полоса, с разносом центральных несущих (сеткой частот) от 100 до 12,5 ГГц (по длине  волны от 0,8 до 0,1 нм) в так называемом третьем окне прозрачности (диапазоны 1530–1565 нм (С- диапазон) и 1570–1625 (L-диапазон)). При этом, в одном оптическом волокне (ОВ) возможно передавать от 40 до 360 каналов в С-диапазоне и до 560 – в L-диапазоне, в зависимости от шага сетки частот, со скоростями до 10 и 40 Гбит/с (в перспективе – до 100 Гбит/с). Реальное коммерчески доступное оборудование сегодня поддерживает до 80 каналов и более. Очевидно, что столь малый шаг между центральными несущими, требует чрезвычайно прецизионных лазерных источников и оптических фильтров, поэтому DWDM-оборудование относительно дорого. Однако достоинства этой технологии сделали ее фактически безальтернативной на современных магистральных телекоммуникационных сетях. Для сетей, не требующих столь высокой канальной емкости, была создана технология спектрального уплотнения с "грубой" сеткой частот – CWDM. Она подразумевает использование до 18 каналов с шагом несущих 20 нм в диапазоне 1271–1611 нм (до 8 каналов в ОВ из-за сильного затухания на более высоко - частотном краю диапазона в зоне "водяного пика").

Очевидно, что для ее реализации пригодны прецизионные источники, что  существенно удешевляет систему  в целом.

Для технологий xWDM сегодня предлагается широкая гамма  активного и пассивного оборудования, позволяющего создавать чрезвычайно  гибкие сетевые архитектуры, как  по техническим возможностям, так и функциональному назначению:

• трансиверы;

• транспондеры;

• пассивные оптические мультиплексоры/демультиплексоры, включая модули ввода/вывода отдельных несущих (OADM - Optical Add-Drop Multiplexer);

• модули компенсации дисперсии;

• оптические усилители.

На основе этого  можно создать разнообразные  сетевые архитектуры (рис. 1), причем возможны комбинации оборудования DWDM и CWDM ,позволяющие в рамках существующей CWDM-сети передавать большее число  каналов (рис. 2). Разумеется, такой подход требует учета особенностей амплитудно-частотной  характеристики ОВ, но вполне приемлем.

Причины использования в основе мультисервисной сети CWDM или DWDM:

• Необходимость передачи сигнала 10 Gigabit Ethernet на большие расстояния (порядка 100 и более км.), так как дальность современных широкополосных XFP трансиверов ограничена из-за хроматической дисперсии.
• Применение xWDM позволяет использовать функции быстрого восстановления на уровне оптической, а не пакетной IP/Ethernet сети.
• Возможность реализации произвольной топологии мультисервисной сети поверх xWDM. Например, организация топологии звезда между Ethernet коммутаторами поверх xWDM кольца.

xWDM — просота и скорость наращивания емкости сети в будущем. Трафик в современных сетях растет очень быстрыми темпами. Отсюда возможность быстрого увеличения пропускной способности сети должна закладываться в ее проект. xWDM позволяет этого достичь.

 

 

 

 

Рис. 1 Топологии оптических сетей

Одними из наиболее дорогостоящих  элементов xWDM-сетей являются транспондеры - устройства, которые принимают  оптический сигнал (например, STM-поток) на одной длине волны, преобразуют  его в электрический, а затем  на заданной длине волны вновь  формируют оптический сигнал. Такие  устройства используются для полной регенерации сигнала в транспортных сетях, а также в качестве интерфейсных конвертеров для интеграции xWDM-сетей  с сетями на основе других технологий, например, SDH.

 

Рис. 2 Интеграция DWDM- и CWDM-систем

Одно из решений проблемы – применение так называемых "цветных" абонентских окончаний, когда в SDH-оборудовании используются источники с фиксированной длиной волны, соответствующей сетке частот DWDM (CWDM). В этом случае STM-потоки представляют собой сигнал на определенной стандартной длине волны, и для его передачи посредством WDM-сети достаточно пассивных мультиплексоров. В целом, сети xWDM обеспечивают оператору чрезвычайно гибкие возможности по доставке трафика, а также по модернизации существующих сетей. Например, необходимо модернизировать существующую SDH-сеть с уровня STM-4 до STM-16 (рис.3).

Рис.3. Пример перехода от STM-4 к STM-16

Полностью менять всю инфраструктуру сети – это достаточно дорогое  удовольствие. Кроме того, модернизированная таким образом сеть сможет предоставлять только SDH-сервисы. Другой подход заключается в установке на существующей сети оборудования спектрального уплотнения xWDM (рис.4). В этом случае может потребоваться обновление только отдельных узлов SDH. Но сеть становится универсальной, позволяющей передавать самые разные виды трафика, как синхронного, так и асинхронного (рис.5).

Рис.4. Модернизация SDH-сети на основе хWDM

Транспондеры  и Трансиверы

В качестве интерфейсного  элемента в сетях xWDM используются транспондеры, преобразующие входящие оптические и электрические потоки данных в модулированные xWDM-несущие. В частности, для скоростей, не превышающих STM-16 (2,5 Гбит/с), в линейку FlexGain-WDM входит 8-канальный транспондер - медиаконвертер с управлением FG-CWDM-8-TP-M (рис.6). Изделие имеет восемь идентичных каналов, каждый из которых выполнен на базе SFP-модулей. Выбирая нужные интерфейсные трансиверные модули в SFP-формате, можно гибко конфигурировать транспондер для работы на различных длинах волн и дальностях трассы. Для организации двунаправленных каналов предусмотрены трансиверные WDM-модули для работы как по одному волокну на разных длинах волн (прием и передача), так и для работы на двух ОВ. Последние могут поставляться в исполнении CWDM. Добавляя интерфейсные Ethernet-модули 1000BASE-T, можно использовать транспондер как обычный многоканальный медиаконвертер. В целом, транспондер позволяет преобразовывать широкополосный оптический сигнал в CWDM-сигнал, а также сигнал с одной длины волны в другую; переходить от многомодового ОВ к одномодовому, преобразовывать электрический сигнал в оптический. Он поддерживает скорости передачи информации в канале от 125 до 2400 Мбит/с, что позволяет работать с широким спектром оборудования: от Fast Ethernet и STM-1 до Gigabit Ethernet и STM-16. Скорость работы каждого из каналов не зависит от остальных и настраивается автоматически. Каждый из каналов медиаконвертера состоит из двух SFP-сокетов, в которые устанавливаются соответствующие SFP-трансиверы, схемы восстановления сигнала типа 2R (восстановление амплитуды и формы импульсов), источника питания и схемы трансляции сигнала аварии LLCF. Сокеты A и B равнозначны между собой. Сигнал, принятый трансивером в сокете A, передается на выход трансивера в сокете B, и наоборот. Система питания изделия состоит из 2–4 (в зависимости от комплектации) вторичных источников питания, рассчитанных на напряжение 220 В переменного тока или 48 В постоянного, которые работают в режиме горячего резервирования, что обеспечивает изделию высокий уровень надежности.

 

Рис.5. Спектральное уплотнение разнородных транспортных потоков

Управление устройством возможно как по протоколу HTTP (web-интерфейс), так и по SNMP. Для работы с потоками со скоростями 10 Гбит/с (STM-64) служат транспондерные платы FG-WDM-SINGLELINE XFP. Этот экономичный конвертер содержит два порта интерфейсных XFP-модулей. В порты включаются XFP-трансиверы на различные длины волн (850; 1310, 1550 нм, с сетками CWDM/DWDM и др.). Поддержка того или иного вида транспортного протокола (10Gb Ethernet, STM-64 и др.) задается отдельно. Транспондер с соответствующими трансиверными модулями позволяет работать на расстоянии до 80 км. Как интеллектуальный ретранслятор, FG-WDM-SINGLELINE преобразует прозрачный канал передачи данных в соответствующую длину волны CWDM/DWDM. В устройстве можно задать или отключить опцию упреждающей коррекции ошибок (FEC). Особо отметим встроенную функцию полного восстановления сигнала 3R (восстановление амплитуды, формы и синхронизации сигналов), что позволит использовать FG-WDM SINGLELINE в качестве ретранслятора. Причем функция восстановления синхронизации опциональна, что отражается на стоимости устройства и позволяет пользователям оптимизировать бюджеты своих проектов. В качестве XFP-трансиверов в линейку FlexGainWDM входит гамма устройств различных оптических диапазонов (850 и 1550 нм и др.) Например, серийный трансивер FG-WDM-XFP-1550-80 может работать с переменной скоростью в диапазоне 9,953–11,096 Гбит/с и поддерживать длины волн DWDM ITU-T C-диапазона с шагом сетки несущих 100 ГГц. По стандартному одномодовому ОВ (1,6 пс/нм) максимальная дальность передачи составляет 80 км. Конструктивно данный XFP-модуль – это полностью интегрированный оптический трансивер, в состав которого входят лазер на заданную длину волны с модулятором, лавинный фотодиод, предусилитель, а также интегральная схема обработки, включая преобразователь сигналов электрического интерфейса с усилителем. Трансивер имеет стабилизатор частоты излучения лазера для поддержки точной длины волны несущей в течение всего срока эксплуатации. Напряжение питания составляет 5 В, общая потребляемая мощность – менее 4 Вт. Для модулей типа FG-WDM-SINGLELINE в линейку FlexGain-WDM входит специальное шасси – 19-дюймовый каркас FG-WDM-CARRIER в двух вариантах: на 17 слотов (высотой 4,5U) и на четыре слота (1U) (рис.7). Шасси можно оснастить модулем системы управления NMS, что позволяет дистанционно контролировать оборудование посредством протоколов SNMP, HTTP или Telnet.

Рис.6.  8-канальный транспондер - медиаконвертер с управлением FG-CWDM-8-TP-M

Рис.7. Шасси FG-WDM-CARRIER а – на 17 модулей (4,5U), б – на 4 модуля (1U), в – системе охлаждения

В целом, шасси FG-WDM-CARRIER высотой 4,5U – одно из наиболее универсальных, адаптивных шасси в 19-дюймовом формате из представленных на телекоммуникационном рынке. Помимо упомянутых модулей в шасси можно устанавливать все виды ретрансляторов на скорости 2,5 или 10 Гбит/с, блоки WDM и модули TDM. Источники питания (220 В переменного тока, 24 и 48 В постоянного тока) могут использоваться как в режиме резервирования, так и в смешанном режиме. Интеллектуальная резервная система охлаждения позволяет определить источник тепла, продлевает время работы охлаждающего модуля, таким образом обеспечивая стабильность работы всей платформы. Сама конструкция системы охлаждения позволяет устанавливать в стойке другие 19-дюймовые блоки непосредственно над или под шасси FG-WDM-CARRIER.

Рис.8. Включение пассивного терминального мультиплексора

Рис.9. Включение OADM

 

Пассивные мультиплексоры

Следующий за транспондером элемент xWDM-сети – пассивный мультиплексор (рис.8). В линейку FlexGain-WDM входит широкий набор такого рода устройств, с сетками частот CWDM и DWDM, на различное число входных каналов – от 4 до 40. Например, пассивный мультиплексор FG-WDM-DWDM 2U поддерживает 40 каналов в диапазоне 1530,33–1561,42 нм с шагом 0,8 нм. Потери по затуханию (мультиплексор + демультиплексор) не превышают 7,8 дБ. Такие мультиплексоры/демультиплексоры используются в приложениях «точка-точка» совместно с недорогими активными или пассивными системами спектрального уплотнения (DWDM). Подобная система позволяет передавать до 40 приложений по одной паре ОВ без каких-либо дополнительных устройств. Более того, если мультиплексор используется для спектрального уплотнения "окрашенных" STM-каналов, то для таких потоков потребность в трансиверных модулях на входе мультиплексора отпадает, что существенно упрощает систему. Помимо описанных терминальных мультиплексоров в сетях xWDM используются так называемые оптические мультиплексоры ввода-вывода OADM. В частности, двухканальный CWDM-модуль FG-OADM предназначен для добавления-выделения необходимой длины волны из общего потока CWDM, передаваемого по двум ОВ (рис.9). FG-OADM поддерживает скорость передачи от 2 Мбит/с до 10 Гбит/с. Он выполнен в виде пластикового бокса, пригодного для установки в оптические муфты, с оптическими портами типа LC и другими разъемами. Имеется и исполнение в 19-дюймовом корпусе для монтажа в стойку.

 

Оптические  усилители и компенсаторы дисперсии

Как и любой другой, оптический сигнал подвержен затуханию. При передаче на расстояния в свыше 80 км (в зависимости от мощности выходного сигнала, типа оборудования и ОВ) его нужно усиливать. Для этого служит гамма оптических усилителей на основе легированных эрбием оптических волокон (EDFA) (см. табл.). Помимо информационных несущих, усилители работают с внеполосовым контрольным каналом OSC (1510 нм), c низкой скоростью передачи данных (до 2 Мбит/с). Отметим, что помимо относительно недорогих оптических EDFA-усилителей в линейку входят и оптические усилители на основе эффекта Рамана. Они обладают большими шириной полосы пропускания и мощностью, позволяют работать на расстояниях до 200 км, но и стоят дороже. Для увеличения дальности передачи служат и модули компенсации хроматической дисперсии, предназначенные для линий длиной от 20 до 200 км. Устройство работает с шагом сетки частот 100 ГГц на скоростях 10 и 40 Гбит/с. Вносимые потери, в зависимости от типа, составляют от 3 до 5 дБ. Отметим, что оптическое усиление и компенсация хроматической дисперсии, эффективны лишь в определенных пределах. Усилитель не способен сохранить исходное отношение сигнал-шум, оно неизбежно падает. Из-за хроматической дисперсии, дисперсии поляризованных мод импульсы сигнала расширяются, теряя исходную форму. При превышении определенного порога суммарной мощности сигнала в ОВ начинают проявляться различные нелинейные эффекты, также приводящие к снижению отношения сигнал-шум и к потере формы сигнала. Поэтому при передаче на дальние расстояния через определенные промежутки сигнал необходимо регенерировать – преобразовывать его в электрическую форму, а затем заново формировать оптический сигнал. При этом можно восстанавливать не только форму исходного потока битов, но и синхронизацию всего потока. Очевидный способ построения такого рода регенераторов – последовательное включение "спиной к спине" двух транспондеров и двух пассивных мультиплексоров (рис.10), что легко реализуется посредством рассмотренного оборудования.