DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing) - Dense Wavelength Division Multiplexing .
Vzdálenost mezi nosnými v systémech DWDM může být 25 - 200 GHz, v moderních sítích se nejčastěji používá kanálová mřížka 50 GHz . Pro přenos se používají spektrální pásma C (1530..1565 nm), S (1460..1530 nm) a L (1565..1625 nm).
Kapacita systému DWDM se vypočítá podle vzorce:
C = M · B , kde M je počet spektrálních kanálů, B je přenosová rychlost v každém kanálu. Výhody DWDM:
V prosinci 2012 provedli specialisté T8 [1] rekordní přenos [2] 1Tbit/s (10x100G) na vzdálenost 500,4 km. Rozpočet na 1kanálovou linku byl 84 dB.
Síťová architektura je založena na mnoha faktorech, včetně typů aplikací a protokolů, vzdáleností, způsobů využití a přístupu a starších síťových topologií. Na metropolitním trhu lze například použít topologie point-to-point k propojení podnikových lokalit, kruhové topologie k propojení mezi kancelářskými zařízeními (IOF) a k rezidenčnímu přístupu a topologie mesh sítě lze použít k propojení mezi POP a připojit k páteři. Ve skutečnosti musí optická vrstva podporovat mnoho topologií a vzhledem k nepředvídatelným změnám v této oblasti musí být tyto topologie flexibilní.
Dnes jsou hlavní topologie nasazení point-to-point a ring. Díky propojení typu DWDM typu point-to-point mezi velkými podnikovými lokalitami stačí k převodu aplikačního provozu na konkrétní vlnové délky a multiplex pouze zařízení v prostorách zákazníka. Nosiče s lineární kruhovou topologií se mohou vyvinout na plné kruhy založené na OADM. Jak se konfigurovatelná optická křížová propojení a přepínače stanou běžnějšími, budou tyto sítě typu point-to-point a kruhové sítě propojeny, čímž se optická metra promění v plně flexibilní platformy.
Topologie point-to-point lze implementovat s nebo bez OADM. Tyto sítě se vyznačují ultra vysokou rychlostí připojení (10 až 40 Gbps), vysokou integritou a spolehlivostí signálu a rychlou obnovou cesty. V sítích na dlouhé vzdálenosti může být vzdálenost mezi vysílačem a přijímačem několik stovek kilometrů a počet požadovaných zesilovačů mezi koncovými body je obvykle menší než 10. V MAN zesilovače často nejsou potřeba.
Ochranu v topologiích typu point-to-point lze zajistit dvěma způsoby. U zařízení první generace je redundance na úrovni systému. Paralelní linky spojují redundantní systémy na obou koncích. Failover je odpovědností klientského hardwaru (jako je switch nebo router), zatímco samotné DWDM systémy jednoduše poskytují kapacitu.
Ve vybavení druhé generace je redundance na úrovni karty. Paralelní kanály spojují jednotlivé systémy na obou koncích, které obsahují duplicitní transpondéry, multiplexery a procesory. Zde se ochrana přesunula na zařízení DWDM a spínací řešení jsou pod místní kontrolou. Jeden typ implementace například používá schéma ochrany 1+1 založené na automatickém přepínání ochrany SONET (APS).
Prsteny jsou nejběžnější architekturou v metropolitních oblastech a táhnou se několik desítek kilometrů. Vláknový prstenec může obsahovat pouze čtyři kanály vlnové délky a obvykle méně uzlů než kanálů. Přenosové rychlosti se pohybují od 622 Mbps do 10 Gbps na kanál.
Kruhové konfigurace mohou být nasazeny s jedním nebo více systémy DWDM podporujícími provoz typu any-to-any, nebo mohou mít centrální stanici a jeden nebo více uzlů nebo satelitů OADM. V hubu vzniká, ukončuje a spravuje provoz a navazují se připojení k jiným sítím. V uzlech OADM jsou vybrané vlnové délky odstraněny a přidány, zatímco ostatní procházejí transparentně (expresní kanály). Kruhové architektury tedy umožňují uzlům v kruhu poskytovat přístup k síťovým prvkům, jako jsou směrovače, přepínače nebo servery, přidáním nebo odebráním kanálů vlnové délky v optické doméně. S rostoucím počtem OADM se však signál ztratí a může být nutné zesílení.
Kandidátské sítě pro aplikace DWDM v městských oblastech jsou často již založeny na kruhových strukturách SONET s ochranou vlákna 1 + 1. Pro implementaci DWDM lze tedy znovu použít schémata, jako je UPSR (jednosměrná cesta s přepínáním okruhů) nebo dvousměrná kruhová spínaná linka (BLSR).
Ve schématu UPSR se dvěma vlákny přenáší rozbočovač a uzly signál na dvou protiběžně se otáčejících prstencích, ale pro příjem signálu je obvykle u všech zařízení používáno stejné vlákno; odtud název jednosměrný. Pokud pracovní kroužek selže, přijímací zařízení se přepne na jiný pár.
I když to poskytuje plnou redundanci trasy, opětovné použití šířky pásma není možné, protože redundantní vlákno musí být vždy k dispozici pro přenos provozu. Toto schéma se nejčastěji používá v přístupových sítích.
Jiná schémata, jako je Bi-Directional Switched Ring (BLSR), umožňují provozu cestovat z vysílajícího uzlu do přijímacího uzlu po nejpřímější trase. Z tohoto důvodu je BLSR považováno za preferovanou volbu pro jádrové sítě SONET, zejména pokud je implementováno se čtyřmi vlákny pro zajištění plné redundance.
Mesh architektury jsou budoucností optických sítí. Jak se sítě vyvíjejí, kruhové a point-to-point architektury budou mít stále své místo, ale mesh slibuje, že bude nejrobustnější topologií. Tento vývoj bude usnadněn zavedením konfigurovatelných optických křížových propojení a přepínačů, které v některých případech nahradí a v jiných doplní pevná DWDM zařízení.
Z hlediska návrhu existuje elegantní evoluční cesta od topologie bod-bod k topologii sítě. Začnete-li s propojeními typu point-to-point vybavenými od počátku uzly OADM pro flexibilitu, a poté je propojíte, síť se může stát sítí bez kompletní přestavby. Kromě toho lze síťovou a kruhovou topologii propojit pomocí dvoubodových spojení.
DWDM mesh sítě sestávající z propojených plně optických uzlů budou vyžadovat ochranu příští generace. Zatímco předchozí ochranná schémata byla založena na redundanci na úrovni systému, karty nebo vlákna, redundance se nyní přesune na úroveň vlnových délek. To mimo jiné znamená, že datový spoj může při průchodu sítí měnit vlnové délky v důsledku směrování nebo přepínání vlnových délek v důsledku poruchy. Situace je podobná situaci s virtuálním kanálem přes cloud ATM , kde může docházet ke změnám hodnot identifikátoru virtuální cesty (VPI) ( angl. VPI - Virtual Path Identifier) / identifikátoru virtuálního kanálu (VCI) ( anglicky VCI - Virtual Channel Identifier) v přepínacích bodech . V optických sítích se tento koncept někdy označuje jako světelná cesta .
Sítě typu mesh proto budou vyžadovat vysokou úroveň inteligence k provádění funkcí ochrany a správy šířky pásma, včetně optických vláken a přepínání vlnových délek. Výhody v oblasti flexibility a efektivity jsou však potenciálně velké. Využití vláken, které může být u prstencových řešení nízké kvůli potřebě bezpečnostních vláken na každém prstenu, lze zlepšit v designu síťoviny. Ochrana a obnova mohou být založeny na společných cestách, které vyžadují méně párů vláken pro stejné množství provozu a neplýtvají nevyužitými vlnovými délkami.
A konečně, mesh sítě budou do značné míry spoléhat na software pro správu. Protokol založený na Multiprotocol Label Switching (MPLS) je ve vývoji pro podporu tras přes plně optickou síť. Kromě toho bude správa sítě vyžadovat dosud nestandardizovaný kanál pro předávání zpráv mezi prvky sítě.
Před zvažováním metod pro zlepšení výkonu systému DWDM a modernizace optických přenosových sítí obecně zvážíme několik příčin chyb v příjmu. Šum přijímače (nebo pulsy) snižuje útlum a ruší jejich vnímání.Šum ASE (Amplified Spontaneous Emission) se hromadí, když skupinový signál prochází optickými zesilovači.
Na nezískaných linkách jsou hlavními příčinami chyb rozptyl, šum a přetížení přijímače. Zavedení optických zesilovačů mění povahu problému ze základního na inženýrský: před odesláním signálu do přijímače je zesílen na optimální úroveň (daleko od mezí citlivosti a dobíjení). Pro kompenzaci šíření je linka vybavena speciálními zařízeními - kompenzátory, které obnovují dobu trvání impulsu před přivedením signálu na vstup přijímací části transpondéru.
Cenou za překonání prvních dvou příčin chyb je zavedení šumu ASE a nelineárního zkreslení. Ten je výsledkem odlišného stavu vedení v přítomnosti zesílení. Nyní je v sekci regenerace několik (někdy i několik desítek) zesilovacích sekcí a na začátku každé z nich, kde je intenzita optického signálu dostatečně vysoká, trpí signál nelineárními efekty.
Z ekonomických důvodů vede touha využívat spektrum zesilovačů efektivněji a minimalizovat počet zesilovačů v řadě k výskytu hustě rozmístěných vysoce výkonných kanálů ve spektru. To vede k rozvoji intrakanálových a mezikanálových nelineárních efektů.
Transpondéry a agregační transpondéry určené pro provoz v sítích, které neobsahují optické zesilovače (obvykle CWDM), jsou optimalizovány na citlivost a disperzní odolnost. To není relevantní pro řešení DWDM – vyžaduje to zařízení pro sdružování kanálů, které je kompatibilní s ASE šumem a harmonickými signály.
Přípustné okrajové parametry vstupního optického signálu jsou hodnoty, které dávají požadovaný chybový faktor se zbývajícími parametry optimální.
Počet chyb v bitovém toku je charakterizován hodnotou BER (bitová chybovost) rovnající se poměru chybových bitů k celkovému počtu přenesených bitů. Zákazník komunikačního systému specifikuje maximální přípustnou BER, která je typicky v rozsahu 10-10...-12.
Pro zařízení CWDM jsou citlivost přijímače a meze rozptylu definovány podobně: citlivost je minimální povolená hodnota výkonu na straně přijímače, při které je přijímán nezkreslený optický signál s danou chybovou hodnotou. Pro zařízení DWDM je hlavní charakteristikou odolnost proti šumu ASE. Hodnota šumu ASE určuje parametr OSNR (poměr optického signálu k šumu) a každý transpondér DWDM / agregační transpondér je popsán požadovanou hodnotou. Požadovaná OSNR je minimální povolená OSNR, takže příjem signálu je možný v rámci požadované BER.
Pojem „výkon systému“ definujeme jako součin kapacity komunikačního systému C plné a přenosové vzdálenosti L. Vzdálenost systému zpětné cesty je celková přenosová vzdálenost přes vícelinkové spojení se 14 mezizesilovači bez signálu regenerace. Je zřejmé, že výkon systému DWDM lze rozšířit dvěma způsoby: zvýšením šířky pásma komunikačního systému a zvýšením přenosové vzdálenosti.
Celková propustnost systému s takovými kanály je určena součinem počtu kanálů a propustnosti kanálu. Ten je určen dvěma faktory: symbolovou rychlostí a symbolovou účinností.
Přenosová rychlost komunikačního systému (celková přenosová rychlost V, bps = baud) se skládá z přenosových rychlostí v každém kanálu (u systému se stejnými kanály je to součin počtu kanálů NCH a rychlosti VB [bps ] v každém kanálu). Maximální počet kanálů v jednom páru vláken je stanoven aktuálním standardem multiplexování dělení (např. CWDM , DWDM 100 GHz C, DWDM 50 GHz C+L). Bitová rychlost kanálu VB je součinem symbolové rychlosti VS (symboly za sekundu) a účinnosti symbolové rychlosti použitého modulačního formátu ES (bit/symbol). Jinými slovy, parametr ES určuje množství informací (datových bitů), které jsou přenášeny jedním znakem. Vyjadřuje se jako základní 2 logaritmus síly algoritmu (počet hodnot, které může symbol nabývat).
1) Zvýšení symbolové rychlostiZvýšení symbolové rychlosti VS je zajištěno zvýšením frekvence modulátoru vysílače. Mezní hodnoty symbolické rychlosti elektrického signálu jsou určeny vlastnostmi materiálu, vysokofrekvenční elektroniky a modulátorů. Pokud jde o implementaci, dostupná hodnota je asi 32 GB na standardní základně prvků. Toho bylo dosaženo poprvé v systémech 100G. 45 Gbaud se používá ve většině moderních procesorů 2×200G. Hodnoty 64 Gbaud jsou v laboratorním testování. Vzhledem k tomu, že se komponentová základna neustále vylepšuje, je možné další mírné zvýšení tohoto parametru, ale výrazné skoky v tomto směru nelze očekávat.
2) Formáty víceúrovňové modulaceHistoricky první formáty amplitudové modulace pro optické záření se objevily v modifikacích NRZ (Non-Return-to-Zero) a RZ (Return-to-Zero), kde je kód RZ odolnější vůči nelineárním vlivům ve vláknu. Poskytovaly rychlost přenosu dat až 10 Gbps. Použití amplitudové modulace bylo obtížné při rychlostech nad 40 Gbit/s, protože šířka optického spektra se stala srovnatelnou s kanálovým prostorem systému DWDM. Kromě nestability amplitudově modulovaných signálů vůči nelineárním zkreslením to vede k použití formátů fázové modulace, kdy informace kóduje fázi optického signálu nebo fázový rozdíl sousedních symbolů (vzhledem k fázové nejistotě příchozího signálu). diferenční kódování je často povinné).
Moderní řešení využívají současně všechny stupně volnosti signálu: amplitudu, fázi a polarizaci světelného záření. Dnes je nejběžnějším modulačním formátem pro 100gigabitové systémy DP-QPSK (Shift-Double Quadrature Keying), kde jsou informace zakódovány ve dvou polarizačních stavech a čtyřech fázových hodnotách.
Proto jsou signály QPSK generovány v každé z polarizací, které jsou kombinovány s polarizačním děličem pro vytvoření struktury DP-QPSK. Každý symbol formátu DP-QPSK nese 4 informační bity (2 bity na symbol v každé z polarizací). Přechod na 200G a 400G bude mít za následek také změnu amplitudy světla. Příslušné modulační formáty DP-16QAM a DP-64QAM výrazně zvyšují spektrální účinnost a umožňují vyšší datové rychlosti v konvenčním pásmu 50 GHz.
V moderních DWDM řešeních s hustým uspořádáním optických kanálů neexistují žádné volné mezikanálové intervaly, takže jediný způsob, jak zvýšit spektrální účinnost, je zvýšit celkovou datovou rychlost v systému bez rozšíření použitelného spektrálního rozsahu. To je jeden z hlavních důvodů přechodu z amplitudového na složitější formát fázově koherentní modulace. Poplatkem za takový zisk je snížení dosahu přenosu.
3) Zvýšení počtu dopravcůZvýšení počtu kanálů může vést k vývoji nových spektrálních rozsahů omezených omezenou efektivní šířkou pásma optických zesilovačů.
Dalším směrem je zmenšení prostoru kanálů v konvenčním optickém rozsahu. To vyžaduje přechod na nový standard multiplexování s dělením vlnové délky a může to vést ke zvýšenému mezikanálovému rušení.
Druhým způsobem, jak zlepšit výkon systému DWDM, je zvětšení vzdálenosti. Závisí to na mnoha faktorech: odolnost zvoleného transpondéru vůči ASE šumu a nelineárnímu zkreslení, parametry zesilovačů a vláken, mřížka kanálu atd. Práh citlivosti přijímače (dB) také určuje dosah přenosu. OSNRr (Požadovaný poměr optického signálu k šumu) je poměr mezi úrovněmi signálu a šumu, když je stále možné detekovat příchozí signál. Operátoři často čelí výzvě zvýšení přenosových rychlostí při zachování dosahu. K takové aktualizaci může dojít výměnou transpondérů za pokročilejší při zachování požadované OSNR.
1) Koherentní příjemPro úsporu dosahu se používá kombinace spektrálně účinných modulačních formátů a koherentního příjmu. Úkolem koherentní detekce je smíchat příchozí informační signál se zářením referenčního laseru. Konverze spektra se provádí tak, že fotodetektor obsahuje kompletní informaci o původním optickém signálu.
Pomocí polarizačních děličů se informační signál a referenční laserový přijímač rozdělí na dvě ortogonální složky. Pro smíchání polarizačních složek signálu se složkami X a Y přijímacího laseru je zapotřebí 90stupňový optický směšovač.
Frekvenci referenčního laseru lze libovolně přepínat v rozsahu ±20 MHz vzhledem k nosné frekvenci vysílacího laseru. V moderních koherentních řešeních šířka laserového záření nepřesahuje 100 GHz. Na vstupy analogově-digitálních převodníků jsou připojeny čtyři páry signálů ze symetrických fotodetektorů, které zvyšují citlivost příjmu. Tak se vytvoří čtyři symbolové toky.
Přestože principy koherentního příjmu jsou známy již dlouhou dobu, jejich aplikace v optické oblasti byla obtížná. Bylo to způsobeno složitostí a vysokou cenou vysoce stabilních úzkopásmových laserů s nutností synchronizace fáze a frekvence přijímaného signálu a záření lokálního oscilátoru. Nástup výkonných technologií digitálního zpracování signálu vyřešil problém fázové synchronizace. V bloku DSP (Digital Signal Processing) je tedy jedním z algoritmů korelace fázového rozdílu pomocí obnovy nosné. To eliminuje potřebu hardwarové frekvence a synchronizace frekvence. prameny.
2) Digitální zpracování signáluKódování bez chyb. Dnes je DSP nedílnou součástí koherentního transpondéru. Čtyři digitální toky z výstupů ADC vstupují do bloku DSP, kde jsou se zmíněnou synchronizací a fázovou diverzí implementovány další kompenzační algoritmy, které jsou nutné pro bezchybnou obnovu signálu. První funkční blok procesoru vylučuje nepřesnosti vstupního rozhraní - časový nesoulad mezi čtyřmi komponentami v důsledku nerovnosti optických a elektrických cest koherentního přijímače, nerovnost jejich amplitud. Asynchronní vzorkovací frekvence je poté převedena na rychlost 2 vzorků na symbol. DSP poskytuje kumulativní kompenzaci chromatické disperze, což eliminuje potřebu fyzického kompenzátoru ztráty linky.
Pro získání přehledného fázového diagramu je také nutné minimalizovat odchylku amplitudy od nějaké dané průměrné hodnoty.
Rotace diagramů ve fázové rovině je vyloučena. Celkový fázový šum, včetně jeho nelineární složky, je odhadnut a kompenzován. Po dokončení všech fází zpracování se určí hodnoty platných znaků. Posledním krokem je postup opravy chyb FEC . Použití redundantního kódování při digitálním zpracování víceúrovňového signálu může poskytnout zisk v požadovaném OSNR až 9 dB. Záhlaví FEC je přidáno k užitečné zátěži v každém transpondéru, jehož velikost je určena typem kódu.
DWDM je stále nová technologie a zbývá ji studovat a studovat. Nejprve byl nasazen na dálkové trasy. A nyní je technologie DWDM připravena pro operátory na dlouhé vzdálenosti. Při použití point-to-point nebo kruhové topologie se výrazně zvýší propustnost bez nasazení dalšího vlákna. DWDM bude i nadále poskytovat propustnost pro velké objemy dat. Ve skutečnosti se výkon systémů bude zvyšovat s pokrokem technologie, která umožňuje kratší vzdálenosti, a tedy více vlnových délek. DWDM se ale také posouvá za hranice dopravy a stává se páteří plně optických sítí v metropolitních oblastech. Budoucnost DWDM s poskytováním vlnových délek a zabezpečením na bázi sítě. Přepínání na fotonické vrstvě umožní tento vývoj, stejně jako směrovací protokoly, které umožňují světelným cestám procházet sítí v podstatě stejným způsobem, jako to dnes dělají virtuální okruhy. Tyto a další pokroky se sbližují, takže si lze představit plně optickou infrastrukturu.