Причины появления технологии WDM 4

Реферат

по дисциплине

«Архитектура информации»

Тема:

Технология DWDM

Студент группы 2БВМ1503

Стригунков Н.М.

Содержание

Введение 3

Причины появления технологии WDM 4

Схемы реализации мультиплексоров WDM 5

От WDM к DWDM 8

Мультиплексоры DWDM 9

Оптический линейный усилитель (OLA) 10

Оптический оконечный мультиплексор (OTM) 10

Передатчики 11

Пространственное разделение каналов и стандартизация DWDM 12

Анализ поляризационно-зависимых потерь 13

Заключение 15

Введение

В развитых странах волоконно-оптическая связь заняла лидирующее положение среди других средств связи. Ее отличительной чертой является значительно более высокая скорость передачи информации и более высокая надежность по сравнению с проводной электросвязью и радиосвязью. Именно эти качества обусловили быстрое развитие волоконно-оптических систем связи за последние 10-15 лет. В настоящее время в мире проложено уже более 100 млн. км таких линий связи. Более того, все континенты связаны подводными волоконно-оптическими линиями связи, общая длина которых превышает 300 тыс. км. Технология грубого спектрального уплотнения (Coarse Wavelength-Division Multiplexing) позволила использовать всего одно оптическое волокно, для передачи до девяти независимых, двусторонних каналов, однако и такая плотность была недостаточной - рынок требовал еще большей плотности, и на это требование последовал ответ - технология DWDM.

CWDM позволяла организовывать несколько независимых линий связи в оптоволокне, за счет того, что каждый такой канал образовывался с помощью двух лазеров, работающих на разных длинах волн, с шагом в 20 нанометров. Центральные длины волн в грубом уплотнении: 1270, 1290, 1310 ... 1590, 1610 нанометров. причем допуски, для таких оптических приёмопередатчиков составляли всего 6.5 децибел. Это значит, что, если у конкретного модуля, маркированного как "1310" реальная несущая волна - 1315 нанометров это никак не влияет на систему уплотнения. По сравнению с обычными модулями, даже WDM - где такие допуски составляют 20-30 децибел и более - это усложнило технологию изготовления, именно поэтому трансиверы CWDM дороже аналогичных традиционных приемопередатчиков.

DWDM является логическим продолжением грубого уплотнения – принцип работы тот же самый: в канале присутствует одновременно до нескольких десятков лазерных сигналов, каждый из которых имеет свою, отличную от других длину волны. Большая плотность каналов диктует увеличение точности модулей плотного оптического уплотнения – «шаг» несущих длин волн в этой технологии составляет уже всего 0,79-0,80 нанометров (1528.77, 1529.55, 1530.33 … 1563.05, 1563.86). Допуски же составляют всего 0,1 нанометра – это приводит к еще большему усложнению технологии изготовления и более строгого подхода к проверке, а, следовательно, и увеличению стоимости приёмопередатчиков плотного спектрального уплотнения.

Разрабатываются и испытываются волоконно-оптические системы связи нового поколения с пропускной способностью в десятки и сотни Гбит/с, а в перспективе - до нескольких Тбит/с. Эти системы используют новые принципы передачи информации - оптические солитоны и спектральное разделение каналов, а также принципиально новую элементную базу, основанную на новых материалах и современных технологиях.

Разработка систем передачи информации нового поколения, прежде всего, вызвана потребностями экономики. Известно, что для увеличения вдвое национального валового продукта необходимо обеспечить 4-кратное увеличение объема передаваемой информации.

Сегодняшний этап развития волоконно-оптических систем связи в мире характеризуется серьезным технологическим прорывом в области элементной базы, позволившим совершить значительный скачок в повышении пропускной способности ВОЛС. На повестке дня стоит вопрос о практическом внедрении ВОЛС с пропускной способностью 1 Тбит/с и более.

Важнейшими элементами высокоскоростных волоконно-оптических сетей являются передающие и приемные модули, модуляторы, широкополосные оптические усилители, компенсаторы дисперсии, мультиплексоры и коммутаторы.

Успехи в технологии создания высококачественных источников излучения и фотодетекторов для высокоскоростных ВОЛС позволили удовлетворить практически все современные потребности пользователей и операторов сетей связи в широком диапазоне скоростей.

Наиболее широкое применение в перспективных ВОЛС со спектральным разделением каналов могут найти перестраиваемые по длинам волн полупроводниковые лазеры. К этим устройствам предъявляются довольно жесткие требования по стабильности спектральных характеристик. Основные же усилия разработчиков в настоящее время направлены на снижение стоимости этих устройств с целью обеспечения более высокой конкурентоспособности ВОЛС со спектральным разделением каналов по сравнению с другими типами ВОЛС, наращивание пропускной способности которых требует использования дополнительных оптических волокон или увеличения скорости передачи при временном уплотнении каналов.

Дальнейшее развитие ОСП базируется на двух основных концепциях, которые неразрывно связаны между собой. Это многоволновые системы передачи (DenseWDM). Где имеется несколько передатчиков, сигналы которых поступают на оптический мультиплексор, на приемной стороне происходит обратное преобразование.

Второй составляющей являются, так называемые полностью оптические сети (AON). В них используются оптические усилители, наиболее перспективными. из которых являются EDFA (Erbium Doped fiber Amplifer).В линии отсутствуют регенераторы, вместо них устанавливаются аналоговые усилители , которые без преобразования принятого оптического сигнала в электрический, просто увеличивают его амплитуду и передают дальше. С увеличением протяженности линии падает отношение сигнал/шум, т.к. шумы в линии суммируются и на усилителе их амплитуда возрастает вместе с сигналом. Эта технология обладает очень важным приемуществом – это отсутствие привязки к скорости и протоколу передачи.

От WDM к DWDM

Долгое время в WDM-системах использовались 2-4 канала, отстоящих друг от друга на десятки и сотни нанометров. Между тем еще с середины 80-х гг. разработчики пытались радикально увеличить данный параметр. Появление технологии DWDM позволило формировать в одном волокне десятки каналов и вести передачу с суммарной скоростью более 1 Тбит/с.

Первые эксперименты с DWDM датируются 1985 г., когда специалистам Bell Laboratories (исследовательского центра компании AT&T, ныне принадлежащего Lucent Technologies) удалось мультиплексировать 10 каналов по 2 Гбит/с, длины волн которых отстояли друг от друга на 1,3 нм. Аналогичные опыты были выполнены в том же году в BTRL (исследовательском центре British Telecommunications), где использовалось 7 каналов по 280 Мбит/с с шагом 15 нм. В лабораторных условиях скорости передачи 1 Тбит/с достигли в 1996 г. сразу три компании - Bell Laboratories, Fujitsu Laboratories и Nippon Telegraph and Telephone (NTT).

Первая из них использовала 25 инжекционных лазеров; их выходные сигналы расщеплялись на две составляющие с различной поляризацией, а затем полученные 50 несущих сигналов модулировались со скоростью 20 Гбит/с. Передача велась на расстояние 55 км. Специалисты Fujitsu Laboratories продемонстрировали связь на расстоянии 150 км с использованием 55 длин волн при скорости передачи 20 Гбит/с в каждом канале. NTT осуществила мультиплексирование 10 каналов по 100 Гбит/с при дальности связи 40 км. Во всех трех случаях использовался диапазон 1550 нм. В том же году NTT добилась суммарной скорости свыше 2,2 Тбит/с, а организация All-Optical Networking Consortium сообщила о возможности достичь показателя 4 Тбит/с при формировании 40 каналов по 100 Гбит/с каждый.

В начале 1998 г. центр Bell Laboratories объявил о двух новых достижениях - передаче данных по 100 каналам (скорость каждого - 10 Гбит/с) при дальности около 400 км и по 30 каналам (скорость 40 Гбит/с) при дальности 85 км. В обоих экспериментах применялись новые оптические усилители Bell Laboratories, полоса пропускания которых почти в семь раз шире, чем у серийных устройств. После появления систем 100G очередным мод- ным "трендом" DWDM-оборудования стали системы 400G, а в лабораторных экспери- ментах – 1T. Вероятно, это связано с ожида- ниями стандартизации и внедрения оче- редных уровней протокола Ethernet на кли- ентских сетях – 400G Ethernet и 1T Ethernet. Соответственно, операторы связи готовятся пре- доставить клиентам интерфейсы для передачи таких каналов; "внутренняя кухня" (как именно технически передается этот поток по оптиче- скому волокну) при этом для клиента не столь важна. На практике достичь скорости 400 Гбит/с по одной несущей в коммерческих системах пока не удалось, и в 2015 году на рынке были представлены различные варианты "400G" систем на двух поднесущих. При этом осущест- вляется передача двух каналов по 200 Гбит/с каждый (варианты реализации см. в табл.1) на двух разных длинах волн со спектральной эффективностью 2–4 бит/с/Гц.

Мультиплексоры DWDM

Мультиплексорам DWDM (в отличии от более традиционных WDM) присущи две отличительные черты:

· использование только одного окна прозрачности 1550 нм, в пределах области усиления EDFA (1530-1560 нм);

· малые расстояние D l между мультиплексными каналами, 3,2 / 1,6 / 0,8 или 0,4 нм.

Кроме этого, поскольку мультиплексоры DWDM рассчитаны на работу с большим числом каналов до 32 и более, то наряду с устройствами DWDM, в которых мультиплексируются одновременно все каналы, допускаются также новые устройства, не имеющие аналогов в системах WDM и работающие в режиме добавления или вывода одного и более каналов в/из основного мультиплексного потока, представленного большим числом других каналов. Так как выходные порты/полюса закреплены за определенными длинами волн, говорят, что такое устройство осуществляет пассивную маршрутизацию по длинам волн. Из-за малых расстояний между каналами и необходимости работы с большим числом каналов одновременно, изготовление мультиплексоров DWDM требует значительно большей прецизионной по сравнению c WDM мультиплексорами (использующими обычно окна прозрачности 1310 нм, 1550 нм или дополнительно область длин волн в окрестности 1650 нм). Также важно обеспечить высокие характеристики по ближним (коэффициент направленности) и дальним (изоляция) переходных помех на полюсах DWDM устройства. Все это приводит к более высокой стоимости DWDM устройств по сравнению WDM.

DWDM мультиплексоры, являясь чисто пассивными устройствами, вносят большое затухание в сигнал. Например, потери для устройства, работающего в режиме демультиплексирования составляют 10-12 дБ, при дальних переходных помехах <-20 дБ, и полуширине спектра сигнал 1 нм, (по материалам Oki Electric Industry). Из-за больших потерь часто возникает необходимость установления оптического усилителя перед и/или после DWDM мультиплексора.

Оптический линейный усилитель (OLA)

Блок OLA обеспечивает усиление двунаправленных оптических сигналов и компенсацию дисперсии. Блок OLA увеличивает дальность передачи без регенерации, то есть обеспечивает передачу без использования 3R-функции.

Как показано на рисунке 2.3, модуль OLA состоит из блока оптического усилителя, усилителя Рамана (комбинированное использование усилителей Рамана и EDFA обеспечивает усиление оптических сигналов с низким уровнем собственных шумов усилителей, что позволяет увеличить протяженность участка передачи), блоков DCM, FIU, SC2, SCC и т.д.

Причины появления технологии WDM 4 - student2.ru

Рисунок 4 - Блок-схема OLA

Как и OTM, усилители Рамана используются на приемной стороне OLA, как показано на рисунке 2.3. Они выполняют усиление (с низким уровнем собственных шумов) оптических линейных сигналов, а затем посылают эти сигналы в блок FIU.

FIU выделяет оптический контрольный сигнал из основного тракта, для того чтобы система могла извлечь из него контрольную информацию. В то же время, сигналы C-диапазона, содержащиеся в основном тракте, передаются в блок OAU (блок эрбиевого оптического усилителя), где они усиливаются.

DCM обеспечивает компенсацию дисперсии сигналов основного тракта.

Передатчики

Современные передатчики имеют гибридную конструкцию. Лазеры и интегральные микросхемы, модулирующие излучение, объединены в единый компактный модуль, что позволяет достичь больших частот модуляции и высокой надежности. Такой модуль является электронно-оптическим преобразователем, в котором интенсивность выходного светового сигнала модулируется входным цифровым электрическим сигналом. При низких скоростях передачи модулируется управляющий ток (лазеры с внутренней модуляцией), при высоких – сам оптический сигнал (лазеры с внешней модуляцией). В системах DWDM наиболее широко применяют специализированные лазеры с распределенной обратной связью (DFB), предназначенные для работы в окне 1550 нм и обеспечивающие скорость передачи до 10 Гбит/с

Полоса пропускания системы DWDM распределяется между многочисленными каналами с различными длинами волн. Все эти длины волн должны разместиться в рабочей области усилителя. Если в системе много каналов, то каждый из них необходимо тщательно контролировать. Успешное решение данной задачи определяется характеристиками источников излучения каждого канала. Системы DWDM с малым частотным интервалом можно использовать только при наличии лазера с узкой линией излучения. Узкая ширина линии минимизирует искажения импульсов, вызываемых дисперсией волокна, позволяет применять на входе перед приемником узкополосные фильтры для улучшения отношения сигнал/шум. Сильное подавление остаточных боковых полос источника излучения применяется для того, чтобы сигнал источника не взаимодействовал с другими каналами.

Передатчик не должен менять длину волны излучения со временем, т.е. оставаться в пределах полосы пропускания канала системы. Лазер оптически изолируют и на него не должны влиять паразитные отражения от среды передачи, особенно возвращающиеся от первого оптического усилителя в линии связи. Эффект старения в системах DWDM – это предельная мощность, длина волны максимума излучения и подверженность чипированию (уширение линии излучения) источника излучения при долговременном и кратковременном использовании. Данный эффект должен оставаться в допустимых пределах.

Лазерные источники должны быть защищены от обратных отражений, так как они могут вызвать нестабильность генерации источника. Лазерные модули сами по себе довольно дороги и их замена может потребовать сложной и дорогостоящей операции по разборке и последующей перенастройки компонентов, обеспечивающих эффективную работу линии. Поддержка постоянной температуры лазерного источника обеспечивается термоэлектрическими холодильниками, которые поглощают ту часть энергии, которая не преобразуется в световую. Она рассеивается в виде тепла и влияет на характеристики лазера (длина волны, мощность) и вызывает нестабильность.

И стандартизация DWDM

Самым важным параметром в технологии плотного волнового мультиплексирования бесспорно является расстояние между соседними каналами. Стандартизация пространственного расположения каналов нужна, уже хотя бы по тому, что на ее основе можно будет начинать проведение тестов на взаимную совместимость оборудования разных производителей. Сектор по стандартизации телекоммуникаций Международного союза по электросвязи ITU-T утвердил частотный план DWDM с расстояние между соседними каналами 100 ГГц ( Причины появления технологии WDM 4 - student2.ru 0,8 нм), (табл. 5). В тоже время большие дебаты продолжают идти вокруг принятия частотного плана с еще меньшим расстоянием между каналами 50 ГГц ( Причины появления технологии WDM 4 - student2.ru 0,4 нм). Без понимания того, какие ограничения и преимущества имеет каждый частотный план, операторы связи и организации, планирующие наращивание пропускной способности сети, могут столкнуться со значительными трудностями и излишними инвестициями.

Сетка 100 ГГц

Все сетки кроме одной 500/400 имеют равноудаленные каналы. Равномерное распределение каналов позволяет оптимизировать работу волновых конвертеров, перестраиваемых лазеров и других устройств полностью оптической сети, а также позволяет легче выполнять ее наращивание. Реализация той или иной сетки частотного плана во многом зависит от трех основных факторов: типа используемых оптических усилителей скорости передачи на канал - 2,4 Гбит/с (STM-16) или 10 Гбит/с (STM-64), влияния нелинейных эффектов, причем все эти факторы сильно взаимосвязаны между собой.

Стандартные EDFA на кремниевом волокне имеют один недостаток - большую вариацию коэффициента усиления в области ниже 1540 нм, что приводит к более низким значения соотношения сигнал/шум и нелинейности усиления в этой области. Одинаково нежелательны как сильно низкие, так и сильно высокие значения коэффициента усиления. С ростом полосы пропускания минимальное допустимое по стандарту соотношение сигнал/шум возрастает - так для канала STM-64 оно на 4-7 дБ выше, чем для STM-16. Таким образом, нелинейность коэффициента усиления кремниевого EDFA сильней ограничивает размер зоны для мультиплексных каналов STM-64 (1540-1560 нм), нежели чем для каналов STM-16 и меньшей емкости (где можно использовать практически всю зону усиления кремниевого EDFA, несмотря на нелинейность).

Сетка 50 ГГц

Более плотный, пока не стандартизированный частотный план сетки с интервалом 50 ГГц позволяет эффективней использовать зону 1540-1560 нм, в которой работают стандартные кремниевые EDFA. Наряду с этим преимуществом, есть и минусы у этой сетки. Во первых, с уменьшением межканальных интервалов возрастает влияние эффекта четыре волнового смешивания, что начинает ограничивать максимальную длину меж регенерационной линии (линии на основе только оптических усилителей). Во вторых, малое межканальное расстояние ~0,4 нм может приводит к ограничениям в возможности мультиплексирования каналов STM-64, (рис. 6). Как видно из рисунка, мультиплексирование каналов STM-64 c интервалом 50 ГГц не допустимо, поскольку тогда возникает перекрытие спектров соседних каналов. Только если имеет место меньшая скорость передачи в расчете на канал (STM-4 и ниже), перекрытия спектров не возникает. В-третьих, при интервале 50 ГГц требования к перестраиваемым лазерам, мультиплексорам и другим компонентам становятся более жесткими, что снижает число потенциальных производителей оборудования, а также ведет к увеличению его стоимости.

В настоящее время ведутся работы по созданию надежных фтор-циркорамных EDFA, обеспечивающих большую линейность (во всей области 1530-1560 нм) коэффициента усиления. С увеличением рабочей области EDFA становится возможным мультиплексирование 40 каналов STM-64 с интервалом 100 ГГц общей емкостью 400 ГГц в расчете на волокно.

Причины появления технологии WDM 4 - student2.ru

Рис.6.Спектральное размещение каналов в волокне.

Заключение

В настоящее время после широко распространения сетей сотовой связи 3 поколения резко возросло объёмы передаваемых данных. Для увеличения скорости передачи данных без прокладки дополнительных линий связи применяются технологии уплотнения. Кроме того, широко распространено частное уплотнение которое получило название WDM (Wavelength Division Multiplexing). Благодаря данной технологии в совокупности скорость передачи данных смогла превысить 1 Тбит/сек, что более чем в 20 раз превышает существовавшие до сих пор пределы скорости передачи данных по ВОЛС. Однако этого мало, требовалось найти решение проблемы передача всех оптических сигналов в пределах окна прозрачности с минимальным разнесением. Решить проблему нестабильности лазеров удалось в технологии DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing) – плотное волновое мультиплексирование.

С появление DWDM ограничения потока скорости стал шире что позволило резко поднять объём передаваемых по магистральным сетям данных. Данная технология нашла применение в сотовых системах связи, это конечно хорошо, но данная система обходится операторам дорого и поэтому внедряют её избирательно, но оно того стоит возможно с появлением системы 4 поколения 4G LTE интерес к данной системы возрастёт.

Так что технология плотного волнового мультиплексирования является технологией будущего систем передачи данных.

Список использованной литературы

1 )Конышев В.А., Леонов А.В., Наний О.Е., Трещиков В.Н., Убайдуллаев Р.Р. Рекорд- ная производительность систем 100G как маркер перехода к эволюционному разви- тию ВОСП // Первая миля. 2015. № 6

2) РАЗВИТИе скоростныХ DWDM-систем по нескольким поднесущим УДК 621. 391. 63 А.Леонов, к.ф.-м.н., заместитель начальника научно-исследовательского отдела ООО "Т8", М.Слепцов, к.т.н., заместитель генерального директора по управлению проектами ООО "Т8", В.Трещиков, к.ф.-м.н., генеральный директор ООО "Т8"

WEB-ресурсы:

http://celnet.ru/dwdm.php

http://www.qtech.ru/articles/13.htm

http://shop.nag.ru/catalog/article/id/19/catalog_id/71