Разработка учебного модуля по теме "Пропускная способность современных оптических волокон"

дипломная работа

2.2.1 Волновое мультиплексирование

Волновое мультиплексирование используется практически уже более 10 лет и первоначально было основано на объединении двух основных несущих 1310 нм и 1550 нм (2-го и 3-го окон прозрачности) в одном оптоволокне, что позволяло удвоить емкость системы. Многие стандартные системы SDH предлагают это сейчас, как один из вариантов конфигурации.

Такие системы WDM называются широкополосными (разнос по длине волны 240 нм) в противовес узкополосным WDM, разнос в которых был на порядок ниже, около 24 нм, что давало возможность разместить в 3 окне (1550 нм) 4 канала. Такое деление систем кажется на данный момент не совсем корректным, так как у таких широкополосных систем WDM спектр не перекрывался, а состоял из двух изолированных полос.

С другой стороны, в настоящее время формируется класс действительно широкополосных систем WDM, перекрывающих в смежных окнах прозрачности (3-м и 4-м) полосу около 84 нм от 1528 до 1612 нм. Рассчитывать на взаимную совместимость оборудования разных производителей систем WDM тогда не приходилось, поскольку необходимо было стандартизовать ряд используемых оптических несущих и принять единый канальный частотный план, чтобы дать производителям и кабельным операторам ориентир на будущее, а также классифицировать уже существующие WDM системы.

Технология плотного волнового (спектрального) мультиплексирования (Dense Wave Division Multiplexing, 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 [7].

Принцип мультиплексирования, используемый DWDM, имеет аналог - в наиболее старой и заслуженной технологии мультиплексирования с разделением по частоте (Frequency Division Multiplexing, FDM), применяемой в аналоговой телефонии. 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. 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 WDM есть некоторая общность.

Сегодня оборудование DWDM позволяет передавать по одному оптическому волокну 32 и более волн разной длины в окне прозрачности 1550 нм (С-диапазон или 3-е окно прозрачности), при этом каждая волна может переносить информацию со скоростью до 10 Гбит/с (при применении протоколов STM-64 или 10GE для передачи информации на каждой волне). В настоящее время ведутся работы по повышению скорости передачи информации на одной длине волны до 40 Гбит/c - 80 Гбит/с. У технологии DWDM имеется предшественница - технология 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.

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.

Практический успех технологии DWDM, оборудование которой уже работает на магистралях многих ведущих мировых операторов связи (в том числе, и некоторых российских), во многом определило появление волоконно-оптических усилителей на основе кварца, легированного эрбием - EDFA (Erbium-Dopped Fiber Amplifier). Эти 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. Cистемы электрической регенерации сигналов являются весьма дорогими и, кроме того, протокольно-зависимыми, так как они должны воспринимать определенный вид кодирования сигнала. Оптические усилители, "прозрачно" передающие информацию, позволяют наращивать скорость магистрали без необходимости модернизации усилительных блоков. Оптические усилители используются не только для увеличения расстояния между мультиплексорами, но и внутри самих мультиплексоров. Если мультиплексирование и кросс-коммутация выполняются исключительно оптическими средствами, без преобразования в электрическую форму, то сигнал при пассивных оптических преобразованиях теряет мощность и его нужно усиливать перед передачей на линию [9].

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.

С успехами DWDM связано еще одно перспективное технологическое направление - полностью оптические сети (All-Optical Networks).

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.

Делись добром ;)