ТОБЖ спектральді тығыздау әдісі

Қолданыстағы активті жабдықты қолдана отырып, ТОБЖ көлемін көп қайтара өсіруге (100 реттен астам) мүмкіндік беретін технология, беру арналарын спектральді бөлу технологиясы. Бұл технология шетелдік әдебиетте wavelength division multiplexing (WDM) атауына ие болды. Отандық әдебеитте 20 жылдан астам спектральді тығыздау (СТ) термині қолданылады. Толқын ұзындығы бойынша оптикалық мультиплексорлау, толқындық немесе спектральді мультиплексорлау терминдері де қолданылады. Байланыс саласындағы басқарушы құжатта [РД 45.286-2002] спеткральді бөлінетін талшықты – оптикалық беру жүйесі (ТОБЖ-СБ) деген термин қолданылады.

WDM әдісінің маңызы бір ОТ бір бірінен тәуелсіз спектральді бөлінген оптикалық талшықтардың бір уақытта берілуі. Әр оптикалық талшық сәйкес арна құрушы жабдықпен құрылған, көп арналы сигналмен модуляцияланады. Белгілі бір толқын ұзындығындағы әр компонента өзінің бергіші және қабылдағышы бар жеке оптикалық ақпарат беру арнасы болып табылады. Байланыс желісіне жаңа арнаны қосу бос толқын ұзындығына жарықтық шоғырды енгізуде негізделеді және осыған дейін болған сигналдарды беру арналарының жұмысына әсерін тигізбейді. Ақпаратты әр түрлі арналар бойынша беру үшін аналогтық немесе цифрлық сигналдар, әр түрлі протоколдар және беру жылдамдықтары қолданылуы мүмкін. Бұндай біріктіру, талшық бойынша беру және ары қарай тасымалдаушысы әр түрлі толқын ұзындығында арналардың ары қарай бөлінуі желілі оптикадағы суперпозиция (тәуелсіздік) принципінде негізделген. Толқындардың желісіз өзара әсер етуі қалаусыз қиылыспа бөгеуілдердің пайда болуына әкелуі мүмкін, және сондықтан байланыстың WDM-жүйелерінде желісіз әсерін әлсіретуге шаралар қолдануды талап етеді.

Оптикалық арналардың спектральды бөлінетін ТОБЖ құрылымдық сұлбасы 15.3 сурет көрсетілген, мұнда алдында қабылданған белгілеулерге жаңалары қосылады: КСҚЖ – көп арналы сигнал құрушы жабдық, бұл арна құрушы жабдықтың (АҚЖ) және электрлі сигналды құруға арналған, ұластыру жабдығының (ҰЖ) қосындысы болып табылады, ҰЖ параметрлері оптикалық бергіш (ОБер) және оптикалық қабылдағышпен (ОҚаб) келістірілген; СБҚ (немесе MUX - мультиплексор WDM) – спектральді біріктіру құрылғысы, ол әр түрлі оптикалық тасымалдаушыларды бір талшыққа (ОТ) енгізілуін іске асырады; СБөлҚ (немесе DMUX - демультиплексор WDM) – спектральді бөлу құрылғысы, мұнда оптикалық тасымалдаушылар бөлінеді және оптикалық қабылдағышқа түседі.

15.3 – сурет. Оптикалық арналардың спектральды

бөлінетін ТОБЖ құрылымдық сұлбасы

Беруші станцияда п беру жүйелері (бір типті немесе әр түрлі типті) бар, олардың сигналдары п оптикалық бергішкпе беріледі, олар әр түрлі тасымалдаушыларды сәулелендіреді. СБҚ көмегімен әр түрлі оптикалық сигналдардың ОТ ендірілуі іске асады.

Қабылдау жағында СБөлҚ опткиалық тасымалдаушылар бөлінеді және опткиалық қабылдағышқа беріледі және ары қарай КСҚЖ беріледі. Осылайша, бір ОТ бойынша п спектральді бөлінген оптикалық арналар ұйымдастырылады, яғни ОТ өткізу мүмкіндігі дәстүрлі оптиалық беру жүйелерінің құрылуымен салыстырғанда п есеге өседі. Бұдан басқа, бұл әдіс байланыс желілерінің дамуын, қосымша құрылыс жұмыстарынсыз іске асыруға мүмкіндік береді, бұған қоса жарықтық ағынның бөліну және бөліп алу орындарында паасивті элементтерді спеткральді тығыздайтын кез келген құрылымды таратылған желілерді құруға мүмкіндік береді.

Оптикалық тасымалдаушыларды біріктіру және бөлу үшін әр түрлі оптикалық спектральді құрылғылар қолданылуы мүмкін: мультиплексорлар, демультиплексорлар, олардың жұмысы физикалық оптика құбылыстарына негізделеді: дисперсия, дифракция және интерференция. Мультиплексорлардың және демультиплексорлардың құрылымының негізінде опктикалық призма, көп қабатты диэлектрик, дифракциялық тор және т.б. жатуы мүмкін.

Бұндай нүкте-нүкте беру жүйелері екі түйін арасындағы байланыс жолының өткізу мүмкіндігінің артуын қамтамасыз етеді. Бірақ мұндай мүмкіндік және WDM технологияларының жетістіктері әр түрлі көп түйіндерден тұратын, күрделі қабаттасқан байланыс тораптарында одан да үлкен деңгейде ашылады.

Аралық түйіндерде кейбір арналар енгізу/бөлу мультиплексорларының ккөмегімен құраушы сигналдан бөлінуі немесе қосылуы мүмкін, ал қалған арналар түйіннен электрлі сигналға түрленусіз өтеді. Кейбір түйндерде – оптикалық кросс-коммутация құрылғылары арналарды қайта бағыттауға мүмкіндік тудырады.

WDM технологияларын қолдануда өткізу мүмкіндігін арттыру бағасы қымбат опктаилық кабельді ауыстырусыз іске асады. WDM технолгияларын қолдану жалға тек қана оптикалық кабельді емес, жекелеген толқын ұзындықтарын беруге мүмкіндік тудырады, яғни виртуалды талшық концепциясын іске асыру. Толқынның әр түрлі ұзындықтарында бір талшық бойынша бір уақытта әр түрлі қосымшаларды беруге болады - кабельдік теледидар, телефония, Интернет трафигі, талап бойынша видео және т.с.с.. Сондықтан опткиалық кабельдегі талшықтың біраз бөлігін резерв үшін қолдануға болады.

WDM технолгияларын қолдану бұрыннан бар желіге қосымша оптикалық кабельді төсеуді талап етпейді. Болашақта талшық бағасы төмендегенмен, жаңа технологияларды қолданғандықтан, талшықты-оптикалық инфраструктура (төселген талшық және орнатылған құрылғылар) әр дайым қымба бағалы болады. Оны тиімді қолдану үшін көп уақыт ұзақтығында желінің өткізу мүмкіндігін арттыру жәәне ұсынылатын қызмет жиынын оптикалық кабельді ауыстырмайтын мүмкіндік қажет. WDM технологиясы тура осындай мүмкіндік тудырады.

1980-жылдарда өткізілген, WDM-технологияларының бірінші зерттеулері локальді тораптарда көп модалы талшық бойынша сигналдарды беру үшін 10 - 25 нм спектральді итнтервалмен бөлінген, оптикалық талшықтарды біріктіру мүмкіндігін көрестті, бұған қоса толқындардың жұмыстық ұзындықтары бірінші (850 нм) және екінші (1310 нм) мөлдірлік терезелерінде жатты. Бірақ бұл жұмыстар өнеркәсіптік жүйелердің әзірленіуне жол бермеді, ең басты себеп экономикалық тұрғы.

Тәжірибелік қолданыс тапқан бірінші WDM-жүйелері екі талшықты WDM-жүйелер болды, олар 2-ші және 3-ші мөлдірлік терезелерінен екі негізгі тасымалдайтын толқын ұзындықтарын 1310 нм және 1550 нм бір опткиалық талшыққа біріктіреді. Екі талшықты WDM-жүйелерінің тәжірибелік табысы: олар сигналдарды бір оптикалық талшықпен беру жылдамдығын екі есеге өсіреді немесе бір талшықтағы дуплексты жүйелерді құруға мүмкіндік тудырады, бұған қоса олар қолданыстағы активті жабдықты ауыстыруды талап етпейді және қарапайым және сенімді екі талшықты мультиплексорлар/демультиплексорларды қолдануға мүмкіндік тудырады. Бұндай жүйелердің қарапайымдылығы, өте үлкен спектарльды интервалмен (200 нм астам) түсіндіріледі, оған қоса олардың өткізу мүмкіндігі одан ары өсуін шектейді. Іс жүзінде екі толқынды WDM-жүйелері тағы тек қана толқын ұзындығы 1650 немесе 1490 нм бір арнаны ғана қосуға мүмкіндік береді.

Екі талшықты WDM-жүйелері қол жеткізу тораптарында кең қолданысқа ие болды, әдетте оптикалық тораптарда (PON).

1990-шы жылдардың ортасында, эрбиимен легирленген (EDFA, Erbium doped fiber amplifier) талшық негізіндегі оптикалық күшейткіштердің кең енгізілуінің арқасында спектральді арналардың тығыз орналасуымен спектральді мультиплексорлау технологиялары қарқынды дами бастады, оны белгілеу үшін DWDM (Dense WDM) аббревиатурасы қолданылды Алыс қашықтық байланыс жүйелерінде DWDM жүйелерін қолданудың экономикалық тиімділігі оптикалық күшейткіштерді қолдану арқылы күрт өсті, өйткені бір құрылғы – күшейткіш - әр спектральді арнаның жеке оптикалық сигналдарын қалпына келтіруге қолданылған, ондаған регенераторларды алмастырды. Мысалы, SDH жүйелерінде сигналдардың электрлік регенерациясы өте қымбат және протоколдар жағынан тәуелді, өйткені олар сигналдырды кодалаудың тек белгілі бір түрлерін ғана қабылдайды.

EDFA күшейткіштерінің негізгі жұмыс диапазоны 1525... 1565 нм толқын ұзындығында жатқандықтан, осы аралыққа неғұрлым көп арналарды сидыру қажеттігі. Жиілік интервалы 100 ГГц құрайтын, арналардың орналасуы көзделген жүйелер ең көп қолданысқа ие болды. Қазіргі кезде жиіліктік интервалы 50 ГГц (0,4 нм) және 25 және 12,5 ГГц құрайтын, жүйелерді құру жұмыстары жүргізілуде.

Бірақ интервалы 50 ГГц жүйелер, әзірге сұранысқа ие бола қоймайтын шығар, өйткені олардың бағасы өте қымбат.

DWDM технологиясы алыс аралыққа өте үлкен ақпараттар ағынын беру қажет, алыс қашықтықтағы байланыста жоғары орын алуда, өйткені олар оптиалық күшейткіштерді қолдануды талап етеді. Бұдан басқа, соңғы уақытта қалалық және қол жеткізу тораптары қарқынды даму үстінде, оларда да спектральді мультиплексорлауды қолданған жөн. Олардың кейбіреулерінде DWDM технологиялары қамтамасыз ететін, жоғары суммарлы ақпараттар ағыны талап етілмейді. Сондықтан спектральді тығыздығы аздау, WDM – жүйелеріне қызығушылық қайтадан туындап отыр. Бұндай жүйелер дойыр спектральді мультиплексорлау жүйелері деп аталады, және олар үшін халықаралық белгілену енгізілді - CWDM (Coarse WDM). ITU G.694.2 халықаралық стандартымен CWDM- арналардың орталық толқын ұзындықтарына спектральді сетка орнатылаған. 1270 тен 1610 нм толқынның ұзындық диапазондарында көрші арналар 20 нм спектральді интервалмен бөлінген.

Стандарт тағы да CWDM технологияларының қолдану аймағын анықтайды - 50 км шейін қашықтықтағы қалалық тораптар.

CWDM технологияларының DWDM технологияларымен салыстырғандағы ең негізгі артықшылығы – бағасының арзандығы. Әр түрлі авторлармен жасалған, бағалар CWDM-жүйелерінің, осы жүйелерге ұқсас DWDM-жүйелерінен 1,5-2,5 есеге арзан. Әдетте В CWDM-жүйелерінде қолданылатын, оптикалық бергіштер температураның тұрақтылығын талап етпейді (DWDM жүйелерінде лазерлердің температуралық тұрақтылығы міндетті), CWDM-мультиплексорларының бағасы DWDM-мультиплексорларынан арзан. CWDM технологияларының негізгі кемшілігі масштабтаудың шектеулі мүмкіндіктерінде, яғни барлық араналар бойынша берілетін ақпараттың тұтынушы тапсырысына сай өсуде.

WDM технологияларының үш негізгі артықшылықтарын анықтайды:

1) беру жүйелерінде қолданылатын, арналар санын ұлғайту арқылы WDM көліктік тораптардың өткізу мүмкіндігін өсіруге болады, және бұған қоса TDM технологияларында іске асатын сияқты, бірегей құрама арнаның жылдамдығын өсірмеуге болады и не повышая скорости передачи в едином составном канале, как это реализовано в технологии;

2) WDM технологияларына негізделген көліктік тораптар, жоғары иілгіштікке ие, өйткені біріншіден, әр спектральді арнаны трафиктің әр түрін беруге тәуелсіз қолдануға болады. Мысалы, толқынның бір ұзындығында Internet, SONET немесе ATM. Екіншіден, тораптың тек физикалық топологиясын қолданумен шектелмей, әр түрлі виртуалды торап құруға болады;

3) бір талшықпен берілетін, сигналдар барлық спектральді арналарда бір оптикалық күшейткіштің көмегімен күшейтуге болады. Осысымен оптикалық күшейткіштер ретрансляторлардан айрықшаланады, ретрансляторларда әр спеткрльді арнаға жеке электрлік күшейткіш қолдану қажет.

Оптикалық күшейткіштер WDM жүйелерінің екінші буынында пайда болды. Оларда, эрбиимен легирленген (EDFA-Erbium Doped Fiber Amplifier) және 1525... 1565 нм толқын ұзындық диапазонында сигналдардың күшейюін қамтамасыз ететін талшықтар қолданылды. Бұл жүйелерде деректерді беру үшін арналар арасындағы жиілік интервалы 400 ГГц үшінші мөлдірлік терезелері қолданылды. Арналарды толқын ұзындығы бойынша тығыздау технологияларының ары қарай дамуы оптикалық күшейткіштердің күшею жолағын кеңейтумен және спектральды арналар арасындағы жиіліктік интервалды азайтумен байланысты. Спектральды арналар арасындағы жиіліктік интервалға байланысты WDM жүйелері екі негізгі классқа бөлінеді: нығыз спектральды тығыздау жүйелері (dense-WDM (DWDM)), аталған технологияның ары қарай дамуы жоғары нығыз спеткральды тығыздалған технология (HDWDM - High density WDM) болды; және дойыр спеткральды тығыздау (coarse-WDM (CWDM)) немесе басқаша (wide WDM (WWDM)). DWDM және CWDM жүйелері үшін тасымалдаушы жиіліктер Халықаралық Электробайланыс Кеңесінің ((ХЭК) (ITU - International Telecommunication Union)) анықталады): ITU-Т G.694.1 нұсқаулары DWDM үшін жиілік сеткасын анықтайды, ал ITU-T G.694.2 нұсқаулары определяет CWDM үшін толқын ұзындығының таралуын анықтайды.

15.1 – кесте. ТОБЖ тығыздау әдістерінің сипаттамалары

Параметрлері	CWDM	DWDM	HDWDM
Арналардың толқын ұзындығының айырмасы	20 нм немесе 25 нм	< 1,6 нм (200, 100, 50 ГГц)	< 0,4 нм (25, 12,5 ГГц)
Қолданылатын диапазон	О, Е, S, С және L	S, С және L	С және L
Арналардың типтік саны	18 максимум	Ондаған арналар (бірнеше жүзге шейін)	Ондаған арналар
Арналардың бағасы	Төмен	Жоғары	жоғары

2003 жылдың қараша айында ХЭК жаңа ITU-T G.695 нұсқауын бекітті, ол CWDM жүйелерінің келесі сипаттамаларын анықтады: сигналдың рұқсат етілген өшілулігі, қуаттың рұқсат етілген деңгейі, алатын қашықтығы .

Қарастырылып отырған технологиялардың кейбір ерекшеліктері 15.1 кестеде көрсетліген.

ITU T G.694.2 нұсқауына сай, кестеде спектральды диапазондардың келесі белгіленуілері қолданлған:

- О - бастапқы, біріншілік (Original, 1260.. .1360 нм);

- Е - кеңейтілген (Extended, 1360... 1460 нм);

- S – қысқа толқындық (Short wavelength, 1460... 1530 нм);

- С - қарапайым, стандартты (Conventional, 1530... 1570 нм);

- L – ұзын толқындық (Long wavelength, 1570.. .1625 нм).

Дойыр спектральды тығыздау (Coarse Wavelength Division Multiplexing, CWDM) көрші арналар арасындағы қашықтық 20 нм теңдігімен сипатталады. Бұл арналарды нығыз спектральды тығыздауға (DWDM) қарағанда ондаған есе артық. WDM басқа технологияларына қарағанда CWDM технологиясы кеңірек жиілік жолағын қолдана алады, ол оптикалық байланыс жүйесі үшін стандартты бірнеше жиілік диапазонынан (мөлдірлік терезесі) тұруы мүмкін. СWDM – жүйелерінде бір уақытта 18 арнаға шейін жұмыс істеуі мүмкін және көп модалы да, бір модалы да талшық қолданылуы мүмкін.