В настоящее время WDM играет в оптических синхронных системах ту же роль, что и мультиплексирование с частотным разделением (Frequency Division Multiplexing, FDM) в аналоговых системах передачи данных. По этой причине WDM-системы часто называют системами оптического мультиплексирования с частотным разделением (Optical FDM, OFDM), однако по сути своей технологии FDM и OFDM имеют мало общего.

Различия между ними не сводятся к тому, что в OFDM-системах используются оптические, а не электрические сигналы. При обычном частотном мультиплексировании применяется механизм амплитудной модуляции с одной боковой полосой и определенной системой поднесущих, модулирующие сигналы которых одинаковы по структуре, так как они аналогичны сигналам в стандартных каналах ТЧ. При OFDM механизм модуляции, необходимый в FDM для сдвига несущих, вообще не используется; несущие генерируются отдельными источниками (лазерами), сигналы которых затем обюединяются мультиплексором в единый многочастотный сигнал. Его составляющие могут передавать потоки цифровых сигналов, сформированные на основе различных синхронных технологий - АТМ, SDH, PDH и т. д. Для этого несущие модулируются цифровым сигналом, соответствующим передаваемому трафику.

Модель взаимодействия транспортных технологий

С теоретической точки зрения для WDM-систем не важно, какие методы используются для кодирования и формирования конкретного цифрового сигнала. На практике же в этих системах, как правило, передается однотипный трафик, что диктуется используемым методом синхронизации и требованием единообразия процесса обработки. В отличие от систем SDH, транспортируемый сигнал здесь не упаковывается в контейнеры и не подвергается обработке в соответствии со структурой мультиплексирования SDH для формирования транспортного модуля STM-N, который только и может быть передан через физический уровень в канал связи.



Рис. 1. Модель взаимодействия основных транспортных технологий: а - до внедрения технологии WDM, б - после внедрения WDM
Многоуровневая модель взаимодействия технологий транспортировки сигнала в глобальных цифровых сетях - SDH/SONET, ATM и IP (без учета возможности переноса IP-трафика через ATM-магистрали) - до появления WDM-систем имела вид, представленный на рис. 1, а. Она состояла из трех уровней и среды передачи; для транспортировки трафика верхнего уровня (ATM, IP) через оптическую среду его пакеты приходилось инкапсулировать в транспортные модули/сигналы STM-N/STS-n, которые, используя физический интерфейс технологии SDH/ SONET, могли попасть в оптическую среду передачи. Отсюда возникла необходимость в создании технологий инкапсуляции ячеек АТМ, например, в виртуальные контейнеры SDH (ATM over SDH) или пакетов IP в виртуальные трибы SONET (IP over SONET), чем и занимались соответствующие подкомитеты по стандартизации в составе ANSI, ISO, ITU-T и ETSI, разрабатывая стандарты на эти технологии.

После появления WDM-систем модель приобрела вид, показанный на рис.1, б. Теперь в нее входят три или четыре уровня, не считая среды передачи. Промежуточный уровень WDM, подобно SDH/SONET, обеспечивает физический интерфейс, позволяющий через физический уровень выйти на оптическую среду передачи не только технологиям SDH/SONET, но и технологиям ATM и IP. В последнем случае уже не требуется инкапсулировать ячейки ATM или IP-пакеты в промежуточный транспортный модуль/сигнал, что не только упрощает процедуру обработки и транспортировки ATM- или IP-трафика, но и существенно уменьшает длину заголовков, повышая эффективность передачи в целом. Естественно, ATM- и IP-трафик может быть передан и с использованием технологий SDH/SONET, а SDH/ SONET-трафик - с помощью WDM, что сохраняет преемственность традиционных схем транспортировки и увеличивает гибкость систем WDM-SDH/SONET в целом.

Блок-схема WDM-систем

Основная схема WDM-системы имеет вид, представленный на рис. 2, где показан прямой (симплексный) канал.

Передающая часть системы сначала принимает n входных потоков данных (кодированных цифровых импульсных последовательностей с длинами волн несущих н»i от различных источников); в качестве примера на первом канале показан SDH-мультиплексор SMUX, на n-ом канале - АТМ-мультиплексор. Эти потоки обрабатываются соответствующими интерфейсными блоками Интi и модулируются (основной полосой) оптическими модуляторами Mi. Модулированные оптические несущие мультиплексируются (обюединяются) с помощью WDM-мультиплексора Mux в суммарный поток на выходе, который после усиления бустером (мощным усилителем) МУ подается в волокно.

Приемная часть системы, усилив принятый поток предусилителем ПУ, демультиплексирует его, т. е. разделяет на компоненты с несущими н»i, которые детектируются с помощью детекторов Di. Для уменьшения переходных помех и увеличения помехоустойчивости детектирования перед детекторами могут устанавливаться полосовые фильтры Фi. Сигналы с выхода детекторов Di демодулируются демодуляторами DMi. В результате восстанавливаются исходные кодированные цифровые импульсные последовательности, подаваемые затем на вход демультиплексоров соответствующих технологий.

Разнос каналов и типы WDM-систем

Узкополосные и широкополосные WDM-системы

Волновое мультиплексирование используется уже более десяти лет и первоначально было направлено на обюединение двух несущих (1310 и 1550 нм) в одном оптоволокне, что позволяло удвоить емкость системы. Этот подход оправдывал себя в течение всей истории развития ВОЛС и в настоящее время применяется во многих стандартных системах SDH. Ряд исследователей называл такие системы широкополосными WDM-системами (разнос по длине волны составляет 240 нм) в противоположность узкополосным, где разнос был на порядок ниже (12-24 нм), так что в окне прозрачности 1550 нм удавалось разместить четыре канала.

Сегодня подобное деление выглядит не совсем корректным, поскольку на самом деле у "широкополосных" WDM-систем спектр не был сплошным, а состоял из двух изолированных полос. Кроме того, сейчас формируется класс действительно широкополосных DWDM-систем, перекрывающих в смежных окнах прозрачности (третьем и четвертом) полосу 1528-1612 нм. Если ориентироваться на характеристики одной из лучших разработок в этой области - WaveStar AllMetro компании Lucent Technologies, которая использует волокно, устраняющее пик поглощения в пятом окне прозрачности (~ 1400 нм), - то можно ожидать, что в будущем системы данной категории смогут покрыть полосу от 1280 до 1620 нм.

Канальный план и его стандартизация

Хотя рассчитывать на полную совместимость DWDM-систем разных производителей не приходится, необходимо было стандартизировать номинальный ряд несущих - канальный план, чтобы дать компаниям ориентир на будущее, а также позиционировать уже существующие WDM- и DWDM-системы. Эту задачу в первом приближении решил Международный союз электросвязи (ITU), выпустив стандарт ITU-T Rec. G.692.

Таблица 1. Стандартный канальный план (разнос каналов 100 ГГц)
Частота, ТГцДлина волны, нм
196,11528,77
196,01529,55
195,91530,33
......
191,21567,95
191,11568,77
191,01569,59
В основу стандарта положен канальный план с равномерным расположением несущих частот с минимальным разносом каналов (шагом) 100 ГГц. Выбранная область частот покрывает стандартизированный диапазон шириной 5,1 ТГц и практически соответствует диапазону длин волн амплитудно-волновой характеристики (АВХ) широко используемых оптических усилителей (1528,77-1569,59 нм). При выборе постоянного шага h = 100 ГГц в данном диапазоне можно разместить 51 канал с несущими, указанными в левом столбце табл. 1; при этом шаг по длине волны изменяется от 0,780 до 0,821 нм, в среднем он равен 0,8 нм. При использовании шагов 200, 400 ГГц и больше можно получить производные таблицы. Изготовители используют и меньший шаг (50 ГГц), хотя он еще не стандартизирован.

Рассмотрев параметры WDM-систем ведущих производителей (табл. 2), можно увидеть, что все эти системы (кроме продукции компании Ciena) соответствуют канальному плану ITU-T, так как не используют шага меньше 100 ГГц. Кроме того, оказывается, что стандартизированный диапазон поделен на два поддиапазона. Корпорация Alcatel обозначает их буквами S (Short band, меньшие длины волн) и L (Long band, большие длины волн); компания ECI для тех же поддиапазонов использует обозначения B (Blue, 1529-1545 нм) и R (Red, 1545-1570 нм). Выбор того или иного поддиапазона диктуется достижимой в нем равномерностью АВХ. Анализ АВХ оптических усилителей показывает, что более предпочтителен в этом смысле поддиапазон L, позволяющий получить приемлемую равномерность даже со стандартными оптическими усилителями без специального выравнивания.

Желая увеличить число каналов как в области наиболее плоской АВХ стандартного оптического усилителя, так и во всей стандартизированной области выровненного усиления (1529-1565 нм), производители, видимо, в будущем выйдут за рамки стандартизированного плана (если он не будет в ближайшее время скорректирован). Фирма Ciena, использующая шаг 50 ГГц, уже прибегла к этой возможности.

Оценив число каналов в указанном диапазоне, нетрудно заметить следующее. Во-первых, схема канального плана с числом каналов, кратным двум, которой придерживается ряд производителей, нерациональна с точки зрения использования выровненной полосы оптического усилителя. Во-вторых, канальный план стандарта G.692 допускает формирование не более 51 канала, а этот показатель уже перекрыт рядом компаний, производящих 64- и 80-канальные системы.

Перспективный канальный план

Увеличения числа каналов можно достичь следующими двумя путями. Уменьшение шага до 50 ГГц дает возможность довести число каналов до 102. Продолжение стандартизированной полосы вправо до частот порядка 186 ТГц (1612 нм) позволяет удвоить ее ширину, доведя ее до 10,2 ТГц (84 нм) за счет частичного использования четвертого окна прозрачности (область вблизи 1620 нм). Первый путь принят на вооружение компанией Ciena, второй - корпорацией Lucent. Эксплуатация вдвое большей полосы требует применения специальных сверхширокополосных оптических усилителей (UltraWide Bandwidth Amplifier, UWBA) с АВХ, охватывающей полосу 10,2 ТГц; однако она дает возможность увеличить число каналов до 102 при шаге 100 ГГц и до 204 при шаге 50 ГГц.

При создании таких усилителей общую полосу обычно разбивают на две, по терминологии Bell Labs называемые C-Band (обычная полоса) и L-Band (длинноволновая полоса). При этом поддиапазон L в нотации Alcatel оказывается расположенным в правой половине C-Band. В результате для WDM-систем можно предложить перспективную схему канального плана на 102 канала с шагом 100 ГГц (рис. 3).

Классификация WDM-систем

В настоящее время принято выделять три типа WDM-мультиплексоров: обычные (WDM), плотные (DWDM), высокоплотные (HDWDM). Хотя точные границы между этими классами пока четко не определены, вслед за специалистами компаний Alcatel и ECI можно предложить вариант классификации, основанный на исторической практике разработки WDM-систем и указанном выше стандарте G.692 с его канальным планом:

  • WDM-системы - имеют частотный разнос каналов не менее 200 ГГц, сейчас позволяют мультиплексировать не более восьми каналов;
  • DWDM-системы - обеспечивают разнос каналов не менее 100 ГГц и дают возможность мультиплексировать не более 32-40 каналов;
  • HDWDM-системы - поддерживают разнос каналов 50 ГГц и менее, в настоящее время позволяют мультиплексировать не менее 40 каналов.

Варианты технической реализации

Первые мультиплексоры класса WDM использовались для мультиплексирования двух несущих из второго и третьего окон прозрачности - 1310 нм и 1550 нм, значительное расстояние между которыми позволяло обойтись без специальных фильтров для их разделения. Дальнейшие усилия, направленные на улучшение селективности (уменьшение разноса каналов) при использовании традиционной технологии оптических фильтров на базе дискретной оптики, привели к следующим результатам: разнос каналов 20-30 нм, переходное затухание между каналами 20 дБ, уровень вносимых потерь 2-4 дБ.

Это позволило с 1987 г. до середины 90-х гг. формировать не более четырех каналов во втором окне. В 1996-1998 гг. произошел существенный прорыв в технологии мультиплексирования, обусловленный, с одной стороны, переходом к интегральным оптическим технологиям, а с другой - миниатюризацией и повышением качества элементов традиционной дискретной оптики.

В настоящее время используются три конкурирующие технологии выделения каналов (демультиплексирования). Две из них, основанные на применении интегральной оптики (интегральных оптических микросхем), выделяют каналы с помощью волновых фильтров на решетке массива волноводов (Array Waveguide Gratings, AWG) либо вогнутой дифракционной решетки (Concave Gratings, CG); третья, базирующаяся на миниатюрной дискретной оптике, выделяет их с помощью трехмерного оптического мультиплексирования (3-D Optics WDM).

Основные параметры, характеризующие указанные технологии, сведены в табл. 3. Из нее видно, что 3-D Optics WDM имеет преимущества перед другими технологиями по четырем из пяти показателей и может быть использована в WDM-системах до уровня HDWDM с разносом каналов не меньше 0,4 нм.

Промышленные WDM-системы

Сейчас все еще применяются WDM-системы первого поколения, мультиплексирующие два канала с несущими 1310 нм и 1550 нм. Кроме того, как уже упоминалось, они предлагаются в качестве опций при поставке ряда коммерческих систем SDH/SONET. Эксплуатируется и достаточное количество четырех- и восьмиканальных систем, например T31-BDX фирмы Pirelli и WL8 компании Siemens, которые условно можно отнести к системам второго поколения (кроме четырехканальной системы компании Siemens). Бурное развитие WDM/DWDM-систем пришлось на 1997-1998 гг., когда были разработаны системы третьего поколения, основанные на стандартизированном канальном плане и имеющие минимум 16 каналов. Сегодня начинается их повсеместное внедрение.

В табл. 4 приведены характеристики промышленных WDM/DWDM-систем разных фирм. Изготовителей соответствующего оборудования можно разделить на две группы: фирмы, традиционно выпускающие системы PDH/SDH и сопутствующие устройства (Alcatel, ECI, Lucent, NEC, Nokia, Nortel, Pirelli, Siemens) и "новые" производители (ADVA, Cambrian, в настоящее время принадлежащая компании Nortel, Ciena, Eonyx, IBM, Osicom). Первые разрабатывали WDM-системы как транспортные средства для глобальных сетей SDH/SONET, вторые - как транспортные средства для локальных или, в крайнем случае, городских сетей (так называемый класс Metro), что видно по набору логических интерфейсов, используемых для преобразования форматов сигналов на входе и выходе WDM-систем.

У наиболее продвинутых компаний первой группы общая емкость систем в расчете на одно волокно составляет в настоящее время 160-400 Гбит/с, что превышает аналогичный показатель для систем производителей второй группы. Лидерами здесь являются фирмы Alcatel и Lucent (400 Гбит/с).

Представители второй группы предлагают, как правило, более простые и дешевые решения, рассчитанные на использование одной секции (или одного перекрытия в секции) и не имеющие возможности оптического ввода/вывода отдельных каналов на промежуточных узлах (в силу отсутствия последних). Однако они могут иметь больше логических интерфейсов, позволяют работать с пакетами различных форматов (ATM, Ethernet, включая Fast Ethernet и Gigabit Ethernet, FDDI) и широко применяют интерфейсы Fibre Channel и ESCON. Среди таких систем нельзя не упомянуть удачные разработки компаний Cambrian, IBM, Osicom и Ciena. Система Sentry последней фирмы выделяется не только по расстоянию, перекрываемому ее секцией (500-800 км), но и по числу задействуемых каналов (40).

Дадим некоторые пояснения к используемым в таблице параметрам систем.

Тип системы. Дуплексные, или двунаправленные, системы (D) используют две оптические несущие на канал, а полудуплексные (S) - одну несущую. Многие производители сообщают число каналов без указания типа системы, тогда считается, что она может работать как полудуплексная с n каналами или как дуплексная с n/2 каналами.

В ряде случаев существует несколько вариантов заказных спецификаций, на что следует обращать особое внимание. Так, схема размещения каналов в поддиапазонах B и R может зависеть как от числа каналов, реализуемых данной WDM-системой, так и от конструктивных особенностей оборудования и поддержки дуплексных или полудуплексных каналов. Например, оборудование компании ECI позволяет комплектовать 16-канальную систему как дуплексную (2х16), размещая по 16 каналов в поддиапазонах B и R (ширина зазора между ними - восемь каналов), или как полудуплексную (1х16), размещая 16 каналов в двух поддиапазонах (без зазора и возможности модернизации в вариант 2х16) либо в одном из поддиапазонов (с возможностью модернизации в вариант 2х16).

Код. Как правило, широко используются два типа линейного кодирования - Non-Return-to-Zero (NRZ) и Return-to-Zero (RZ). Первый обеспечивает большую плотность эквивалентных бит на секундный интервал и предпочтительнее в SDH-системах верхних уровней иерархии. Второй широко применяется в DWDM-системах в силу специфики работы модуляторов.

Интересно отметить, что продукт WL4 компании Siemens использует SDH-мультиплексор типа SMA256, работающий на скорости 40 Гбит/с и реализованный на электронных компонентах (применена электронная система мультиплексирования ETDM, а не оптическая OTDM), что позволяет добиться высокой общей емкости системы (160 Гбит/с) уже при четырех каналах. Наличие данного мультиплексора позволяет надеяться, что в недалеком будущем увидит свет система WL32 общей емкостью потока 1,28 Тбит/с в одном волокне - если будут преодолены трудности с перекрытием оптических импульсов при таком сочетании высокой плотности каналов (разнос 100 ГГц) и значительной скорости потока в канале (40 Гбит/с).

Число каналов ввода/вывода. Реализовать ввод/вывод трибов (электрических или оптических), участвующих в схеме первичного электрического или оптического SDH-мультиплексирования, в оптический канал, представленный отдельной оптической несущей, или из него в схему вторичного оптического WDM-мультиплексирования достаточно сложно (особенно для оптических трибов). Поэтому в ряде WDM-систем эта опция вообще не реализована (обеспечивается лишь работа в режиме "точка-точка") либо ограничено число каналов, для которых она разрешена (например, 4 из 16, 8 из 40, 12 из 64). Мало того, число каналов вообще может быть ограничено снизу на уровне виртуального контейнера VC-4.

Топология. В порядке возрастания сложности в WDM-системах могут быть реализованы следующие топологии: "точка-точка" без возможности ввода/вывода трибов SDH; линейная цепь с возможностью ввода/вывода трибов SDH; "звезда" или "точка-много точек", реализуемые с помощью концентратора; "кольцо" (одинарное без защиты, двойное с защитой или счетверенное с полной дуплексной защитой); ячеистая сеть с возможностью динамической маршрутизации.

Секция. Это участок пути, перекрываемый в результате компенсации потерь от затухания сигнала за счет запаса по усилению (бюджета секции) или работы оптических усилителей. Секции могут быть короткими (50-90 км; как правило, они не содержат оптических усилителей), средними (80-150 км; обычно содержат бустеры и предусилители) и длинными (500-700 км; состоят из нескольких участков перекрытия и, как правило, содержат мощный усилитель-бустер, несколько линейных усилителей и предусилитель). Секции ограничены терминальными мультиплексорами.

Дистанция. Максимальное расстояние, на которое могут быть переданы данные. Она определяется числом секций и длиной одной секции, а также возможным наличием регенераторов. С учетом того, что секции зачастую содержат оптические усилители разных типов, дистанция, перекрываемая одной секцией, может иметь длину 500-700 км. Секции могут стыковаться без использования регенераторов - путем соединения терминальных мультиплексоров (back-to-back). Регенераторы применяются для восстановления оригинальной формы сигнала после прохождения им секционного блока (например, в системе WL8 компании Siemens использование одного регенератора позволяет удвоить общую дистанцию передачи сигнала).

Скорость входных данных и тип поддерживаемых логических интерфейсов. Указаны границы диапазона скоростей, которые определяются, в частности, наличием поддержки того или иного логического интерфейса (или формата данных) для взаимодействия с сетями разных типов.

Канал управления. Имеется в виду оптический канал супервизорного управления (Optical Supervision Channel, OSC). Этот канал организуется на дополнительной оптической несущей, которая лежит за пределами фактически используемой полосы. В то же время он может принадлежать полосе, занимаемой стандартизированным канальным планом, либо соответствовать некоторым стандартным (но не применяемым для основной полосы) несущим или частотам накачки лазеров в оптических усилителях. Например, из табл. 4 видно, что используется следующий ряд частот: 1310, 1480, 1510, 1532 и 1625 нм.

Управление. Характеризует возможность управления системой в целом, включая управление SDH/SONET-мультиплексорами и оборудованием сети, с которой стыкуется аппаратура WDM. В этом смысле управление разбивается на традиционное для систем SDH/SONET полноценное управление на основе TMN с помощью интерфейсов Q и F и на супервизорное управление с использованием агента SNMP. Возможно также применение специально разработанной системы управления сетью WDM, включающей в себя систему мониторинга волоконно-оптических каналов.

В табл. 4 приведены не все параметры, которые встречаются в спецификациях к указанным в ней продуктам. Например, в ней не указаны длины волн входного сигнала, для которых могут быть заданы один или два диапазона значений.

Другим важным параметром является допуск. Он указывает, какую максимальную дисперсию, накопленную на длине одной секции, способна преодолеть WDM-система без потери качества сигнала, определяемого уровнем ошибок (BER). Эта величина используется для проверки способности системы (секции) перекрывать определенную дистанцию. Зная конкретный тип волокна и соответствующее ему значение дисперсионного параметра D, определяемого для граничной длины волны в занимаемой полосе, можно подсчитать фактически накопленную дисперсию путем умножения D на длину секции. Если фактический допуск меньше предельного, система работоспособна при использовании данного волокна, если нет - требуется использовать другое волокно, уменьшить длину секции либо (когда последнее нежелательно или невозможно) применить компенсаторы дисперсии.

Тем не менее уже эти данные позволяют получить представление о современном состоянии соответствующего сектора телекоммуникационной индустрии и спрогнозировать его стремительное развитие в ближайшие годы.



ОБ АВТОРЕ

С Николаем Слеповым можно связаться по электронной почте: nslepov@rts.ru.

Поделитесь материалом с коллегами и друзьями