В рубрику "Решения операторского класса" | К списку рубрик | К списку авторов | К списку публикаций
Н.Н. Слепов, независимый эксперт
Развитие систем WDM (Wavelength Division Multiplexing), цель которых - увеличение ширины полосы канала связи для пользователя, шло сначала по интенсивному пути за счет сокращения шага оптических несущих [1]. Причина была в том, что рабочая полоса систем WDM ограничивалась полосой активного усиления оптических усилителей (ОУ) EDFA, составляющей 30 нм (1530-1560 нм). Системы развивались в направлении WDM -» DWDM (Dense WDM) -» HDWDM (High-Dense WDM), что вело не только к увеличению числа несущих (то есть к уменьшению их шага), но и к существенному удорожанию плотных (шаг 0,8-0,4 нм) и сверхплотных (шаг 0,2-0,1 нм) систем WDM. Последний фактор стал тормозить процесс их внедрения.
Экстенсивный путь развития систем WDM стал возможен только в последние несколько лет благодаря улучшению технологии оптического волокна (ОВ), позволившей на порядок расширить рабочую полосу пропускания ОВ: с 30 до 340 нм. Затухание в полосе пропускания плавно менялось в относительно небольших пределах: ±3 дБ, что в свою очередь позволило значительно (в 10-50 раз) увеличить шаг несущих и тем самым существенно упростить фильтрацию несущих на приемной стороне, исключив дорогостоящие элементы систем WDM.
В результате появился новый класс решений WDM - разреженные системы WDM, или CWDM (Coarse WDM), в которых используется очень большой стандартный [2] шаг между несущими (20 нм) и дешевые средства их выделения - многослойные тонкопленочные оптические фильтры. Системы CWDM быстро завоевали признание специалистов и стали широко применяться в городских сетях (MAN), получив название систем WDM класса Metro.
В системах CWDM используется разреженная сетка длин волн со стандартным фиксированным расстоянием между несущими 20 нм [2]. Решения CWDM рассматриваются как дешевая замена более дорогих систем DWDM в тех случаях, когда пользователям требуется не более 8-16 каналов WDM.
Применение систем WDM такого класса стало возможным после того, как удалось ликвидировать "водяной" пик поглощения на кривой затухания ОВ в районе длины волны 1383 нм. В соответствии с рекомендацией МСЭ G.694.2 [2] следует использовать не более 18 несущих с фиксированным шагом 20 нм: 1270, 1290, 1310 ... 1570, 1590, 1610, если требуемый диапазон длин волн не превышает 340 нм. Естественно, что затухание на краях такого диапазона достаточно велико, особенно на его левом крае в области коротких волн. Поэтому при передаче сигнала по стандартному одномодовому волокну (SSF) число несущих следует ограничить 8 длинами волн, лежащими в диапазоне 1470-1610 нм шириной в 140 нм.
Если требуется использовать больше несущих, то, оставаясь в рамках стандарта CWDM, мы имеем, согласно [2], еще 200 нм полосы, или 10 дополнительных каналов с шагом 20 нм. Альтернативным вариантом является возврат к системам DWDM, однако это дорого и ведет к потере уже вложенных в систему CWDM средств. Другая альтернатива - использование гибридной модели частотно-волнового плана, позволяющей объединить частотные планы DWDM и волновые CWDM, а значит, и преимущества обеих систем: масштабируемость первой и дешевизну второй [3].
Для простоты модели ограничимся частотным планом DWDM с шагом 100 ГГц, а в CWDM рассмотрим восемь основных каналов в диапазоне 1470-1610 нм. На рис. 1 приведены оба плана с указанием области пересечения. В верхней части рисунка показан план DWDM с шагом 0,8 нм (полоса C) и пересекающаяся область, в нижней - план CWDM с шагом 20 нм, а на нем позиции полос C и L плана DWDM. Известно, что в каждой из полос C и L можно разместить по 41 стандартному каналу с шагом 100 ГГц [1].
Полоса C содержит длины волн в диапазоне 1528,77-1560,61 нм, а полоса L - 1566,31-1612,65 нм [4]. В них попадают следующие несущие CWDM: 1530, 1550, 1570, 1590 и 1610 нм. С другой стороны, как видно из рис. 1, в полосе пропускания фильтра одной из несущих CWDM может разместиться восемь несущих DWDM полосы C.
Однако эта стратегия имеет определенные недостатки. Во-первых, не все несущие DWDM попадают в полосу пропускания фильтров системы CWDM - примерно 50% приходится на переходную полосу фильтров. Во-вторых, часть общей полосы пропускания фильтров CWDM перекрывается полосами C и L не полностью. По этой причине несущую 1610 нм (CWDM) не используют для замены наряду с несущими 1470, 1490 и 1510 нм, а у оставшихся четырех (1530, 1550, 1570 и 1590 нм) полоса пропускания используется частично, принимая во внимание, что полоса C начинается с длины волны 1528,77 нм. В результате получается, что первая стратегии обеспечивает использование четырех незаменя-емых длин волн CWDM и четырех длин волн, полосы которых заменяются возможными наборами длин волн DWDM. Наилучшей в этом случае является несимметричная схема (рис. 2), в которой незаменяемая полоса А состоит из трех расположенных слева каналов (несущие 1470, 1490 и 1510 нм) и одного канала справа (несущая 1610 нм), а заменяемая полоса В расположена внутри общей полосы А + В. Согласно расчетам [3], максимально возможное число каналов в этом случае равно 32 (4 канала CWDM + 28 каналов DWDM). Таким образом, общее число каналов увеличивается в четыре раза: с 8 до 32.
Существует и вторая стратегия расширения числа несущих. Она оставляет ту же исходную расстановку несущих: 4 незаменяемых + 4 заменяемых, но использует всю освобождаемую формирующими фильтрами несущих полосу. То есть для этих каналов полностью меняются карты в оборудовании и используются не только канальные, но и полосовые фильтры DWDM. В результате оказывается возможным в полосе четырех заменяемых каналов сформировать 32 канала в полосе C и 32 канала в полосе L; таким образом, общее число каналов может достигать 68 (4 канала CWDM + 64 канала DWDM) [3]. При этом схема мультиплексирования каналов может быть такой, как показано на рис. 3, а именно: 4 (CWDM-A) + 32 (DWDM-C) + 32 (DWDM-L).
В результате гибридный альтернативный план выглядит так: несущие CWDM 1470, 1490, 1510 нм + 64 несущие полос C и L DWDM + несущая CWDM 1610 нм.
Неполное использование CWDM
В полную ширину спектра 340 нм с занимаемой областью 1270-1610 нм входят 18 стандартных каналов [2] с шагом 20 нм. Будучи наложенной на характеристику затухания стандартного ОВ, например SMF-28е компании Corning, эта область содержит сглаженный максимум затухания на 1383 нм. Приблизительные значения затухания в характерных точках данной области приведены в табл. 1.
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.
Возврат к системам DWDM
С точки зрения использования большего числа каналов данная альтернатива была описана выше и в целом ясна. Что касается потери вложенных средств, то при локальном или корпоративном использовании и наличии свободного ОВ, на котором можно развернуть DWDM, таких потерь можно избежать. Однако при отсутствии свободного ОВ или в случае применения ВОСП в рамках глобальной сети, учитывая наложение спектров CWDM и DWDM, пользователь может потерять средства, вложенные в развертывание оборудования CWDM. При этом нужно помнить, что обоснованием этой альтернативы была необходимость получения большего, чем 15, числа каналов WDM.
Использование гибридной модели частотного плана
Как было показано выше, эта альтернатива при использовании второй стратегии позволяет сначала наращивать число каналов в рамках частотного плана CWDM (блоками по 4 канала), а затем - в рамкаx частотного плана DWDM (блоками по 32 канала), задействовав каналы как в полосе C, так и в полосе L.
Применение систем CWDM
При анализе возможности применения той или иной технологии для решения определенных задач обычно учитывают наличие конкурентных технологий для решения тех же задач. Конкурентные технологии сравнивают по ряду показателей, ранжированных по степени важности для оператора связи. Такими показателями могут быть: стоимость аналогичного решения, класс сетей и набор реализуемых приложений (сервисов), завершенность технологии (набор стандартов, регламентирующих ее применение), масштабируемость решения и, наконец, наличие технологической ниши, где данная технология имеет наибольшие конкурентные преимущества или просто незаменима.
Если взять, например, задачу выбора технологии, обеспечивающей пропускную способность волокна 40 Гбит/с, то нужно сравнить, как минимум, три конкурирующие технологии:
Очевидно, что стоимость решения, использующего 16 несущих, будет существенно ниже у CDWM, чем у DWDM, и ниже, чем применение SDH. Однако в этом примере выбор CWDM оказывается тупиковым вариантом с точки зрения масштабируемости, так как при этом используется, по крайней мере, два предельных для этой технологии параметра (см. ниже): число несущих и скорость передачи сигнала. Это значит, что при развитии сети может возникнуть необходимость смены технологий и неизбежных при этом дополнительных затрат.
Анализ затрат на оборудование для двух конкурирующих технологий DWDM и CWDM довольно трудно провести корректно, не привязываясь к конкретным изделиям, производимых одной и той же компанией. Общие оценки, публикуемые в разных изданиях, имеют большой разброс и позволяют указать лишь нижнюю (стоимость CWDM в несколько раз ниже) и верхнюю (стоимость CWDM на 30% ниже) границы сравнительных затрат на системы CWDM и DWDM, так как они зависят от числа используемых несущих и ряда других параметров.
Оборудование
CWDM использует в транспондерах лазеры с распределенной обратной связью (DFB), непосредственной модуляцией и скоростью передачи не выше 2,5 Гбит/с. Они обеспечивают узкую спектральную линию излучения сигнала несущей с большим коэффициентом подавления боковых мод, что, в свою очередь, уменьшает эффект уширения при распространении оптического сигнала по ОВ и позволяет без дополнительного усиления перекрывать пролеты длиной до 80 км [10].
Низкие затраты здесь достигаются за счет двух факторов: допустимой точности центральной частоты несущей и допустимого дрейфа этой частоты во времени. Так, для DWDM допустимая точность центральной частоты обычно лежит в пределах 0,5 ГГц (при 25 °С), то же можно сказать и о дрейфе, тогда как для CDWM этот показатель может быть увеличен до 6,5 нм при ширине полосы фильтров демодулятора 13 нм [10].
С другой стороны, лазеры систем DWDM (ввиду малого допуска) должны быть стабилизированы по температуре для компенсации температурного дрейфа примерно 0,1 нм/°С, что вынуждает оператора использовать термостабилизаторы и даже системы с внешней петлей температурной обратной связи. Для лазеров в системах CWDM такая стабилизация считается излишней, учитывая допустимый допуск на дрейф 6,5 нм.
Отсутствие охлаждения и стабилизации температуры позволяет получить значительную экономию потребляемой мощности: если в системах DWDM она составляет 5 Вт/канал передачи несущей, то в системах CWDM - только 0,25 Вт, причем эта разница увеличивается пропорционально числу используемых несущих.
Приемники в обеих системах обычно одинаковы. Это PIN- или APD-диоды, обеспечивающие бюджет мощности системы порядка 20-25 дБ. Существенная разница, однако, наблюдается на этапе демультиплексирования. При малом числе каналов в обеих системах можно использовать одинаковые демультиплексоры с фильтрами на многослойных тонких пленках, однако требования к фильтрам могут значительно отличаться. Так, при шаге сетки несущих 200 ГГц в DWDM необходимо использовать фильтры со 125 слоями для обеспечения требуемого затухания в переходной полосе, тогда как в CWDM при разносе несущих на 20 нм достаточно 50 слоев (при этом вносимые потери фильтров не превышают 1 дБ) [10]. Если же число длин волн велико, то в системах DWDM используются демультиплексоры на основе дифракционной решетки на массиве волноводов (AWG), которые стоят еще больше в расчете на одну несущую.
Архитектура и реализуемые сервисы
Традиционные системы CDWM первоначально строились по однопролетной схеме с терминальными мультиплексорами одного производителя в расчете на сетевую топологию "точка - точка" в корпоративных и локальных сетях. Набор интерфейсных карт давал, как правило, возможность использовать технологии ATM, T3/E3 (PDH), Fast Ethernet (FE), FDDI [6]. При этом допускалось применение многомодового ОВ и работа в трех окнах прозрачности 850/1300/1550 нм. Мультиплексоры ввода-вывода при этом не использовались. На смену традиционным пришли открытые и гибридные системы CWDM.
В открытых системах CWDM сетевые операторы для повышения гибкости систем стали использовать маршрутизаторы, мультиплексоры ввода-вывода и коммутаторы с интерфейсами CWDM. Применение мультиплексоров ввода-вывода позволило расширить круг используемых топологий и освоить кольцевые сети в городских сетях, а также сети доступа транспортных сетей SDH.
Гибридные системы CWDM позволяли широко использовать преимущества обоих типов систем и освоить радиально-кольцевые топологии [6]. Однако главным было то, что в результате переориентации на одномодовое ОВ и диапазон 1550 нм появилась возможность устанавливать интерфейсные DWDM-карты и осуществлять реконфигурацию несущих каналов CWDM в несущие каналы DWDM со всеми вытекающими из этого преимуществами в плане масштабирования [11].
Оказалось, что в результате такого развития систем CWDM появилась возможность использовать CWDM на трех нижних уровнях четырехуровневой иерархии сетей:
При этом местом реализации открытых систем CWDM стали сети "последней/первой мили", тогда как местом реализации гибридных систем CWDM, которые стали обозначаться как системы C/DWDM, стали городские сети и сети доступа.
Набор физических интерфейсов (а значит, и набор сервисов/услуг) систем CWDM и C/DWDM при этом расширился и может теперь включать в себя (помимо интерфейсов, указанных выше): IP, гигабитный и 10-гигабит-ный Ethernet (GE и 10GE), OC-1/3/12/24/48 (SONET) и STM-1/4/16 (SDH), Fiber Channel (FC), ESCON и xDSL.
Завершенность технологии
Завершенность технологии определяется наличием разработанных и внедренных стандартов, специфицирующих параметры систем и оптические интерфейсы, а также разработанных методик оценки показателей производительности систем и уровня ошибок в них.
В области стандартизации систем CWDM первой была принята рекомендация МСЭ [2], описавшая сетку длин волн, используемых в CWDM). Затем в феврале 2004 г. была утверждена рекомендация МСЭ [12], определяющая характеристики и параметры систем CWDM: типы оптических интерфейсов CWDM и перекрываемые ими расстояния, допустимые уровни мощности и затухания оптических сигналов. Она предусматривала даже применение скорости передачи 1,244 Гбит/с, соответствующей уровню SONET OC-24 и не являющейся стандартной для европейской ветви SONET/SDH [6], но позволяющей существенно улучшить коэффициент использования емкости полезной нагрузки при инкапсуляции гигабитного Ethernet (GE) в оболочку синхронной полезной нагрузки (SPE), по сравнению с вариантом использования для этой цели синхронного транспортного модуля SDH STM-16.
Рекомендация [12] определяет оптические интерфейсы однонаправленных и двунаправленных систем CWDM для сетевых приложений, использующих одномодовое ОВ. Они ограниченны как по числу несущих (не больше 16, хотя рекомендация [2] позволяет использовать 18 несущих), так и по скорости сигнальных каналов (не выше 2,5 Гбит/с при кодировании кодом без возвращения к нулю - NRZ).
Сетевые приложения и сервисы должны соответствовать теперь кодам использования, аналогично тому, как это делается для систем SONET/SDH [6] и WDM [1]. Они описывают сеть, условия использования, архитектурные особенности приложений и другие особенности.
Код использования для однонаправленных систем CWDM формируется в виде CnWx-ytz с применением следующих обозначений [12]:
Код использования для двунаправленных систем CWDM с моделью типа "черный ящик" формируется добавлением буквы B перед общим кодом, то есть имеет вид: B-CnWx-ytz.
Код использования для систем CWDM с моделью типа "черное звено" (в котором оптические мультиплексор и демультиплексор рассматриваются как пара сетевых элементов одного одноканального звена) формируется добавлением буквы S перед общим кодом, то есть имеет вид: S-CnWx-ytz [12].
В заключение покажем один из возможных вариантов реализации описанных сервисов в оборудовании на примере мультисервисной системы CWDM. Она позволяет агрегировать сигнальные потоки, формируемые сетевым оборудованием различных технологий, и может быть установлена на "последней/первой миле" и в сетях доступа. Операторы смогут предлагать пользователям различные услуги в рамках одной унифицированной оптической инфраструктуры благодаря объединению в устройстве следующих сервисов:
Опубликовано: Журнал "Технологии и средства связи" #1, 2007
Посещений: 21878
Автор
| |||
В рубрику "Решения операторского класса" | К списку рубрик | К списку авторов | К списку публикаций
