Принцип работы систем со спектральным уплотнением

В простейшем случае каждый лазерный передатчик генерирует сигнал на определенной частоте из частотного плана. Все эти сигналы перед тем, как вводятся в оптическое волокно объединяются мультиплексором (MUX). На приемном конце сигналы аналогично разделяются демультиплексором (DEMUX). Здесь, так же как и в SDH сетях, мультиплексор является ключевым элементом.

Передаваемый по технологии WDM световой поток, состоит из различных длин волн (λ).

Рисунок12.1 – Принцип передачи сигналов в WDM

То есть по одному волокну можно передавать более сотни стандартных каналов. Так, аппаратура, используемая при построении DWDM-сети Компании ТрансТелеКом, в максимальной конфигурации позволяет задействовать до 160 длин волн.

Принципиальная схема WDM достаточно проста. 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.

Рисунок 12.2 –Мультиплексирование – демультиплексирование сигналов в WDM

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

По мере прохождения по оптическому волокну сигнал постепенно затухает. Для того чтобы его усилить, используются оптические усилители. 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).

Рисунок 12.3 – Система предеачи WDM

Преимущества WDM очевидны. Эта технология позволяет получить наиболее масштабный и рентабельный способ расширения полосы пропускания волоконно-оптических каналов в сотни раз. Пропускную способность оптических линий на основе систем WDM можно наращивать, постепенно добавляя по мере развития сети в уже существующее оборудование новые оптические каналы.

Виды WDM систем

В настоящее время получили распространение следующие технологии спектрального мультиплексирования:

· 2-канальный WDM;

· грубое спектральное мультиплексирование (CWDM);

· плотное спектральное уплотнение (DWDM).

· сверхплотное спектральное уплотнение (HDWDM).

На рисунке 12.4 схематически изображена зависимость потерь в типовом одномодовом оптоволокне в диапазоне, соответствующем его «окну прозрачности», от длины волны передаваемого оптического сигнала. Там же для наглядности обозначены названия диапазонов согласно рекомендации международного телекоммуникационного союза (ITU) ITU-T G.692. Ниже приведены расшифровки названий оптических диапазонов:

· 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).

Исторически первыми возникли двухволновые WDM системы, работающие на центральных длинах волн из второго и третьего окон прозрачности кварцевого волокна (1310 и 1550 нм). Главным достоинством таких систем является то, что из-за большого спектрального разноса полностью отсутствует влияние каналов друг на друга. Этот способ позволяет либо удвоить скорость передачи по одному оптическому волокну, либо организовать дуплексную связь. Двухканальный WDM (иногда двунаправленный, bi-di WDM) является в настоящее время наиболее распространенным решением из мира технологий WDM. Принцип работы двухканального WDM можно понять из рисунка 12.5.

Рисунок 12.4 - Зависимость потерь в типовом одномодовом оптоволокне от длины волны передаваемого оптического сигнала

Рисунок 12.5 - Принцип работы двухканального WDM

Грубое спектральное мультиплексирование — CWDM (Coarse Wavelength Division Multiplexing) — является технологией спектрального уплотнения с частотным разносом каналов не менее 200 ГГц, базирующейся на использовании оптических каналов, лежащих в диапазоне от 1270 до 1610 нм и отстоящих друг от друга на расстоянии 20 нм, как специфицировано рекомендацией ITU с идентификатором ITU-T G-694.2. Поначалу использовался только диапазон волн 1470 – 1610 нм (8 длин волн), а область 1260 – 1360 не использовалась из-за увеличения затухания на длинах менее 1310 нм (увеличивается коэффициент рассеяния Рэлея).

Для компенсации эффекта поглощения на длине волны 1383 нм стали применять специальные волокна с нулевым «водяным пиком» (ZWPF, LWPF). Если система использует весь диапазон волн 1270 – 1610 нм, то ее называют FS-CWDM-системой (Full-spectrum CWDM).

Область применения технологии CWDM — городские сети с расстоянием до 50 км. Достоинством этого вида WDM систем является низкая (по сравнению с остальными типами) стоимость оборудования вследствие меньших требований к компонентам. Решения CWDM рассматриваются как дешевая замена более дорогих систем DWDM в тех случаях, когда пользователям требуется не более 8-16 каналов WDM.

Отличаясь невысокой стоимостью, простотой монтажа и невысокими требованиями к качеству существующей оптической инфраструктуры, данная технология позволяет передавать по одному волокну до 16 (18) потоков данных. При этом решение абсолютно невосприимчиво к типам и скоростям передаваемого трафика, так как мультиплексирование происходит на физическом уровне. Так, в одном волокне легко могут "сосуществовать" несколько потоков Gigabit Ethernet и 10 Gigabit Ethernet, потоки SDH STM и даже Fibre Channel. Таким образом, CWDM позволяет радикальным образом увеличить пропускную способность оптической сети без прокладки нового оптического кабеля.

Бурному развитию CWDM, помимо удешевления мультиплексирующего оборудования, также способствовало и развитие технологий производства оптического волокна. Дело в том, что CWDM использует для работы широкий диапазон длин волн: от 1310 до 1610 нм, что требует наличия оптического кабеля на основе волокна без так называемого водного пика (Low Water Peak Fiber). Такое волокно (например, популярное сегодня Corning SMF-28e+) обладает расширенным до порядка 300 нм спектром пропускания.

В полную ширину спектра 340 нм с занимаемой областью 1270-1610 нм входят 18 стандартных каналов с шагом 20 нм.

Будучи наложенной на характеристику затухания стандартного ОВ, эта область содержит сглаженный максимум затухания на 1383 нм.

Хотя вероятность увеличения максимального затухания в районе 1383 нм мала, нужно иметь в виду, что три стандартных канала CWDM: 1370, 1390 и 1410 нм - расположены около этого пика. Они могут быть причиной определенных трудностей (вызванных необходимостью индивидуальной подстройки коэффициентов усиления каналов в тракте ВОСП) при реализации полного (18 каналов) варианта использования полосы CWDM. Если исключить эти три канала, то возможности расширения ограничиваются семью каналами и максимальное общее число рабочих каналов составит 15, что вполне может удовлетворить многих пользователей.

Плотное спектральное мультиплексирование — DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing) — технология для объединения еще гораздо большего числа длин волн, нежели это предусмотрено предыдущей технологией. Большинство ведущих производителей предлагают DWDM-оборудование, позволяющее мультиплексировать в С-диапазоне (1530-1565 нм) до 40 оптических каналов при ширине одного канала 100 ГГц или до 80 оптических каналов при его ширине 50 ГГц. В этом случае максимальная емкость одного оптического канала составляет 10 Гбит/с (уровень STM-64). В диапазоне L (1570-1605 нм) максимальное число оптических каналов может достигать 160 при ширине канала 50 ГГц. В этой же полосе работают легированные эрбием усилители оптического сигнала (EDFA).

Частотный план для DWDM систем определяется стандартом ITU G.694.1. Область применения — магистральные сети. Этот вид WDM систем предъявляет более высокие требования к компонентам, чем CWDM (ширина спектра источника излучения, температурная стабилизация источника и т. д.). Толчок к бурному развитию DWDM сетей дало появление недорогих и эффективных волоконных эрбиевых усилителей (EDFA), работающих в промежутке от 1525 до 1565 нм (третье окно прозрачности кварцевого волокна).

Сверхплотное спектральное уплотнение — HDWDM (High Dense Wavelength Division Multiplexing) — перспективная технология спектрального уплотнения, позволяющая поднять количество уплотняемых каналов еще в 2-4 раза, по отношению к DWDM. В настоящий момент еще не получила распространения.

В таблице 12.1 показаны сводные данные по технологиям спектрального уплотнения.

Таблица 12.1 Сравнительные характеристики технологий WDM.