DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing) - Sűrű hullámhosszosztásos multiplexelés .
A DWDM rendszerekben a vivők közötti távolság 25-200 GHz lehet, a modern hálózatokban leggyakrabban 50 GHz-es csatornahálózatot használnak . Az átvitelhez a C (1530...1565 nm), S (1460...1530 nm) és L (1565...1625 nm) spektrális sávokat használjuk.
A DWDM rendszer kapacitását a következő képlettel számítjuk ki:
C = M · B , ahol M a spektrális csatornák száma, B az átviteli sebesség az egyes csatornákban. A DWDM előnyei:
2012 decemberében a T8 [1] szakemberei 1Tbit/s (10x100G) rekordátvitelt [2] hajtottak végre 500,4 km-es távolságon. Az 1 csatornás vonal költségvetése 84 dB volt.
A hálózati architektúra számos tényezőn alapul, beleértve az alkalmazás- és protokolltípusokat, a távolságokat, a használati és hozzáférési mintákat, valamint az örökölt hálózati topológiákat. A nagyvárosi piacon például pont-pont topológiák használhatók a vállalati telephelyek összekapcsolására, gyűrűs topológiák az irodák közti létesítmények (IOF) és a lakossági hozzáférés összekapcsolására, a mesh hálózati topológiák pedig a POP-ok és a csatlakozni egy gerinchálózathoz. Valójában az optikai rétegnek sok topológiát kell támogatnia, és az ezen a területen bekövetkező előre nem látható változások miatt ezeknek a topológiáknak rugalmasnak kell lenniük.
Ma a fő telepítési topológiák pont-pont és gyűrű. A nagyvállalati telephelyek közötti pont-pont DWDM-kapcsolatokkal csak az ügyfél telephelyén lévő eszközre van szükség ahhoz, hogy az alkalmazásforgalmat meghatározott hullámhosszra és multiplexre alakítsa. A lineáris gyűrűs topológiájú vivők az OADM alapján teljes gyűrűssé fejlődhetnek. Ahogy a konfigurálható optikai keresztkapcsolatok és kapcsolók egyre gyakoribbá válnak, ezek a pont-pont és gyűrűs hálózatok összekapcsolódnak, így az optikai metrók teljesen rugalmas platformokká válnak.
A pont-pont topológiák OADM-mel vagy anélkül is megvalósíthatók. Ezeket a hálózatokat rendkívül nagy kapcsolati sebesség (10-40 Gbps), nagy jelintegritás és megbízhatóság, valamint gyors út-helyreállítás jellemzi. A nagy távolságú hálózatokban az adó és a vevő közötti távolság több száz kilométer is lehet, a végpontok közötti erősítők száma pedig jellemzően kevesebb, mint 10. Az MAN-ban gyakran nincs szükség erősítőkre.
A pont-pont topológiákban a védelem kétféleképpen biztosítható. Az első generációs berendezésekben a redundancia rendszerszintű. Párhuzamos kapcsolatok kötik össze a redundáns rendszereket mindkét végén. A feladatátvétel a kliens hardverének (például kapcsolónak vagy útválasztónak) a felelőssége, míg maguk a DWDM-rendszerek egyszerűen kapacitást biztosítanak.
A második generációs berendezésekben a redundancia kártyaszintű. A párhuzamos csatornák egyetlen rendszert kötnek össze mindkét végén, amelyek duplikált transzpondereket, multiplexereket és processzorokat tartalmaznak. Itt a védelem átállt a DWDM-berendezésekre, és a kapcsolási megoldások helyi irányítás alatt állnak. A megvalósítás egyik típusa például 1+1 védelmi sémát használ a SONET Automatic Protection Switching (APS) alapján.
A gyűrűk a legelterjedtebb építészet a nagyvárosi területeken, és több tíz kilométerre terjednek ki. Egy szálgyűrű akár négy hullámhosszú csatornát is tartalmazhat, és jellemzően kevesebb csomópontot, mint csatornát. Az adatátviteli sebesség csatornánként 622 Mbps és 10 Gbps között mozog.
A gyűrűs konfigurációk telepíthetők egy vagy több DWDM rendszerrel, amelyek bármilyen forgalmat támogatnak, vagy rendelkezhetnek központi állomással és egy vagy több OADM csomóponttal vagy műholddal. A hub-on a forgalmat kezdeményezik, leállítják és kezelik, valamint kapcsolatokat hoznak létre más hálózatokkal. Az OADM csomópontoknál a kiválasztott hullámhosszokat eltávolítják és hozzáadják, míg a többi transzparensen halad át (kifejezett csatornák). Így a gyűrűs architektúrák lehetővé teszik a gyűrűben lévő csomópontok számára, hogy az optikai tartományban hullámhossz-csatornák hozzáadásával vagy eltávolításával hozzáférést biztosítsanak a hálózati elemekhez, például útválasztókhoz, kapcsolókhoz vagy szerverekhez. Az OADM-ek számának növekedésével azonban a jel elveszik, és erősítésre lehet szükség.
A városi területeken a DWDM-alkalmazásokra jelölt hálózatok gyakran már 1+1-es szálvédelemmel ellátott SONET-gyűrűs struktúrákon alapulnak, így az olyan sémák, mint az unidirectional path switched ring (UPSR) vagy a kétirányú vonalkapcsolt gyűrű (BLSR) újra felhasználhatók a DWDM megvalósításához.
A kétszálas UPSR sémában a hub és a csomópontok két ellentétes irányban forgó gyűrűn továbbítják a jelet, de jellemzően ugyanazt a szálat használja minden berendezés a jel fogadására; innen ered az egyirányú elnevezés. Ha a munkagyűrű meghibásodik, a fogadó berendezés másik párra vált.
Noha ez teljes útvonalredundanciát biztosít, a sávszélesség újrafelhasználása nem lehetséges, mivel a redundáns szálnak mindig rendelkezésre kell állnia a forgalom átviteléhez. Ezt a sémát leggyakrabban hozzáférési hálózatokban használják.
Más sémák, mint például a Bi-Directional Switched Ring (BLSR), lehetővé teszik, hogy a forgalom a küldő csomóponttól a fogadó csomópontig a legközvetlenebb útvonalon haladjon. Emiatt a BLSR a SONET maghálózatok előnyben részesített választása, különösen, ha négy szállal valósítják meg a teljes redundanciát.
A mesh architektúrák jelentik az optikai hálózatok jövőjét. Ahogy a hálózatok fejlődnek, a gyűrűs és pont-pont architektúráknak továbbra is lesz helye, de a mesh a legrobusztusabb topológiának ígérkezik. Ezt a fejlesztést segíti majd a konfigurálható optikai keresztkapcsolatok és kapcsolók bevezetése, amelyek bizonyos esetekben helyettesítik, más esetekben kiegészítik a rögzített DWDM eszközöket.
Tervezési szempontból kecses evolúciós út vezet a pont-pont topológiától a háló topológiáig. A rugalmasság érdekében a kezdetektől fogva OADM-csomópontokkal felszerelt pont-pont összeköttetésekkel, majd ezek összekapcsolásával a hálózat teljes átépítés nélkül hálóvá válhat. Ezenkívül a háló és a gyűrű topológiák összekapcsolhatók pont-pont kapcsolatokkal.
Az egymással összekapcsolt, teljesen optikai csomópontokból álló DWDM mesh hálózatok következő generációs védelmet igényelnek. Míg a korábbi védelmi sémák a rendszer, a kártya vagy a szálszintű redundancián alapultak, a redundancia most a hullámhossz-szintre költözik. Ez többek között azt jelenti, hogy az adatkapcsolat hullámhosszát változtathatja a hálózaton való áthaladás során az útválasztás vagy hiba miatti hullámhosszváltás miatt. A helyzet hasonló az ATM -felhőn keresztüli virtuális csatorna helyzetéhez, amely a virtuális útvonalazonosító (VPI) ( eng. VPI – Virtual Path Identifier)/virtuális csatornaazonosító értékeiben megváltozhat . (VCI) ( eng. VCI - Virtual Channel Identifier) a kapcsolási pontokon. Az optikai hálózatokban ezt a fogalmat néha fényútnak is nevezik .
Ezért a mesh hálózatoknak magas szintű intelligenciára lesz szükségük a védelmi és sávszélesség-kezelési funkciók ellátásához, beleértve az optikai szálakat és a hullámhossz-kapcsolást. A rugalmasság és a hatékonyság előnyei azonban potenciálisan nagyok. A szálkihasználás, amely a gyűrűs megoldásokban alacsony lehet, mivel minden gyűrűn biztonsági szálra van szükség, javítható hálós kialakításban. A védelem és a helyreállítás közös útvonalakon alapulhat, kevesebb szálpárt igényelve ugyanannyi forgalomhoz, és nem kell elpazarolni a fel nem használt hullámhosszokat.
Végül a mesh hálózatok nagymértékben támaszkodnak a felügyeleti szoftverekre. A többprotokollú címkeváltáson (MPLS) alapuló protokoll fejlesztés alatt áll, amely támogatja a teljesen optikai hálózaton keresztüli útvonalakat. Ezen túlmenően a hálózatkezeléshez szükség lesz egy még nem szabványosított csatornára a hálózati elemek közötti üzenettovábbításhoz.
Mielőtt megvizsgálnánk a DWDM-rendszer teljesítményének javítására és az optikai átviteli hálózatok frissítésére szolgáló módszereket általában, megvizsgáljuk a vételi hibák számos okát. A vevő zaja (vagy impulzusai) csökkenti a csillapítást és zavarja azok érzékelését Az ASE (Amplified Spontaneous Emission) zaj halmozódik fel, amikor a csoportjel áthalad az optikai erősítőkön.
A nem szabad vonalakon általában a szóródás, a zaj és a vevő túlterhelése okozza a hibákat. Az optikai erősítők bevezetése a probléma természetét alapvetőről mérnökire változtatja: mielőtt a jelet elküldené a vevőnek, azt az optimális szintre erősítik (messze az érzékenység és az újratöltés határaitól). A terjedés kompenzálására a vonal speciális eszközökkel van felszerelve - kompenzátorokkal, amelyek visszaállítják az impulzus időtartamát, mielőtt a jel a transzponder fogadó részének bemenetére kerül.
Az első két hibaok leküzdésének ára az ASE-zaj és a nemlineáris torzítás bevezetése. Ez utóbbi a vonal eltérő állapotának eredménye erősítés jelenlétében. Most a regenerációs szakaszban több (néha több tucat) erősítőszakasz található, és mindegyik elején, ahol az optikai jel intenzitása kellően magas, a jel nemlineáris hatásoktól szenved.
Gazdasági okokból az erősítő spektrumának hatékonyabb felhasználása és az egy vonalban található erősítők számának minimalizálása sűrűn elhelyezkedő, nagy teljesítményű csatornák megjelenéséhez vezet a spektrumban. Ez intrachannel és interchannel nemlineáris hatások kialakulásához vezet.
Az optikai erősítőket (általában CWDM) nem tartalmazó hálózatokban való működésre tervezett transzponderek és aggregáló transzponderek érzékenységre és diszperziós ellenállásra vannak optimalizálva. Ez nem releváns a DWDM-megoldások esetében – ehhez olyan csatornázó berendezésre van szükség, amely kompatibilis az ASE zajjal és jelharmonikusokkal.
A bemeneti optikai jel megengedett határparaméterei azok az értékek, amelyek a szükséges hibatényezőt adják, a többi paraméterrel optimális.
A bitfolyamban előforduló hibák számát egy BER (bit error rate) érték jellemzi, amely megegyezik a hibabitek és az átvitt bitek teljes számának arányával. A kommunikációs rendszer ügyfele határozza meg a maximálisan megengedhető BER-t, amely jellemzően a 10-10...-12 tartományban van.
A CWDM berendezéseknél a vevő érzékenysége és a szóródási határértékek is hasonlóan vannak meghatározva: az érzékenység az a minimálisan megengedhető teljesítményérték a vevőoldalon, amelynél egy adott hibaértékkel torzítatlan optikai jelet kapunk. A DWDM berendezéseknél a fő jellemző az ASE zajtűrés. Az ASE zajérték határozza meg az OSNR (optikai jel-zaj viszony) paramétert, és minden DWDM transzponder / aggregációs transzponder leírása a szükséges értékkel történik. A szükséges OSNR a minimálisan megengedett OSNR, hogy a jel vétele lehetséges legyen a szükséges BER-en belül.
A „rendszerteljesítmény” fogalmát a kommunikációs rendszer teljes C kapacitásának és az L átviteli távolságnak a szorzataként határozzuk meg. A visszatérő rendszer távolságtartománya a teljes átviteli távolság egy többvonalas kapcsolaton 14 közbenső erősítővel, jel nélkül. regeneráció. Nyilvánvalóan egy DWDM rendszer teljesítménye kétféleképpen bővíthető: a kommunikációs rendszer sávszélességének növelésével és az átviteli távolság növelésével.
Az ilyen csatornákkal rendelkező rendszer teljes áteresztőképességét a csatornák számának és a csatorna áteresztőképességének szorzata határozza meg. Ez utóbbit két tényező határozza meg: a szimbólumsebesség és a szimbólumhatékonyság.
Egy kommunikációs rendszer adatsebessége (teljes átviteli sebesség V, bps = baud) az egyes csatornák adatsebességeiből áll (azonos csatornákkal rendelkező rendszer esetén az NCH csatornák számának és a VB sebességnek [bps) szorzata ] minden csatornában). Az egyetlen szálpárban lévő csatornák maximális számát a jelenlegi osztási multiplexelési szabvány (pl. CWDM , DWDM 100 GHz C, DWDM 50 GHz C+L) határozza meg. Egy VB csatorna bitsebessége a VS szimbólumsebesség (szimbólum/másodperc) és az alkalmazott ES modulációs formátum szimbólumsebesség-hatékonyságának szorzata (bit/szimbólum). Más szavakkal, az ES paraméter határozza meg az egy karakterben továbbított információ (adatbitek) mennyiségét. Ez az algoritmus hatványának 2-es bázis logaritmusaként van kifejezve (az értékek száma, amelyeket egy szimbólum felvehet).
1) Növekvő szimbólumsebességA VS szimbólumsebesség növekedését az adómodulátor frekvenciájának növelése biztosítja. Az elektromos jel szimbolikus sebességének határértékeit az anyag, a nagyfrekvenciás elektronika és a modulátorok tulajdonságai határozzák meg. A megvalósítást tekintve az elérhető érték körülbelül 32 GB szabványos elemalapon. Ez először érhető el 100G rendszerekben. A legtöbb modern 2×200G processzor 45 Gbaud-ot használ. A 64 Gbaud értékek laboratóriumi vizsgálat alatt állnak. Mivel az alkatrészbázist folyamatosan fejlesztik, ennek a paraméternek további enyhe növekedése lehetséges, de jelentős ugrásokra ebben az irányban nem kell számítani.
2) Többszintű modulációs formátumokTörténelmileg az optikai sugárzás első amplitúdómodulációs formátumai az NRZ (Non-Return-to-Zero) és RZ (Return-to-Zero) módosításokban jelentek meg, ahol az RZ kód jobban ellenáll a szál nemlineáris hatásainak. Akár 10 Gbps adatátviteli sebességet biztosítottak. Az amplitúdómoduláció alkalmazása 40 Gbit/s feletti sebességnél nehézkes volt, mivel az optikai spektrum szélessége összemérhetővé vált egy DWDM rendszer csatornaterével. Az amplitúdómodulált jelek nemlineáris torzításokkal szembeni instabilitása mellett ez a fázismodulációs formátumok alkalmazásához vezet, ahol az információ kódolja az optikai jel fázisát vagy a szomszédos szimbólumok fáziskülönbségét (a bejövő jel fázisbizonytalansága miatt). szimbólum, a differenciális kódolás gyakran kötelező).
A modern megoldások egyszerre használják ki a jel minden szabadsági fokát: a fénysugárzás amplitúdóját, fázisát és polarizációját. Ma a 100 gigabites rendszerek leggyakoribb modulációs formátuma a DP-QPSK (Shift-Double Quadrature Keying), ahol az információ két polarizációs állapotban és négy fázisértékben van kódolva.
Ezért mindegyik polarizációban QPSK jelek generálódnak, amelyeket egy polarizációs osztóval kombinálva DP-QPSK struktúrát alkotnak. A DP-QPSK formátum minden szimbóluma 4 információs bitet hordoz (2 bit szimbólumonként minden polarizációban). A 200G-ra és 400G-re való átállás a fény amplitúdójában is megváltozik. A megfelelő DP-16QAM és DP-64QAM modulációs formátumok nagymértékben növelik a spektrális hatékonyságot, lehetővé téve a nagyobb adatátviteli sebességet a hagyományos 50 GHz-es sávban.
A modern, sűrű optikai csatornák elrendezésű DWDM-megoldásokban nincsenek szabad csatornák közötti intervallumok, így a spektrális hatékonyság növelésének egyetlen módja a rendszer teljes adatsebességének növelése a használható spektrális tartomány bővítése nélkül. Ez az egyik fő oka az amplitúdóról egy bonyolultabb fáziskoherens modulációs formátumra való áttérésnek. Az ilyen nyereség díja az átviteli tartomány csökkentése.
3) Fuvarozók számának növekedéseA csatornák számának növekedése új spektrális tartományok kialakulásához vezethet, amelyeket az optikai erősítők korlátozott effektív sávszélessége korlátoz.
Egy másik irány a csatornatér csökkentése a hagyományos optikai tartományban. Ehhez át kell térni egy új hullámhosszosztásos multiplexelési szabványra, és megnövekedett csatornák közötti interferenciához vezethet.
A DWDM-rendszer teljesítményének javításának második módja a távolság növelése. Ez sok tényezőtől függ: a kiválasztott transzponder ellenállása az ASE zajjal és nemlineáris torzítással szemben, az erősítők és szálak paraméterei, a csatornahálózat stb. A vevő érzékenységi küszöbe (dB) az átviteli tartományt is meghatározza. Az OSNRr (Optical Signal Noise Ratio Required) a jel és a zajszint közötti arány, amikor a bejövő jel még észlelhető. Az üzemeltetők gyakran szembesülnek azzal a kihívással, hogy a hatótávolság megtartása mellett növeljék az átviteli sebességet. Ilyen frissítés történhet a transzponderek fejlettebbre cseréjével, miközben fenntartja a szükséges OSNR-t.
1) Koherens vételA hatótávolság megtakarítása érdekében spektrálisan hatékony modulációs formátumok és koherens vétel kombinációját használják. A koherens detektálás feladata a bejövő információs jel keverése egy referencialézer sugárzásával. A spektrumátalakítást úgy hajtják végre, hogy a fotodetektor teljes információt tartalmazzon az eredeti optikai jelről.
Polarizációs osztók segítségével az információs jelet és a referencialézer-vevőt két merőleges komponensre osztják fel. 90 fokos optikai keverőre van szükség ahhoz, hogy a jel polarizációs összetevőit összekeverjük a vevő lézer X és Y komponenseivel.
A referencialézer frekvenciája az adólézer vivőfrekvenciájához képest ±20 MHz tartományon belül szabadon kapcsolható. A modern koherens megoldásokban a lézersugárzás szélessége nem haladja meg a 100 GHz-et. A vételi érzékenységet növelő, szimmetrikus fotodetektorokból származó négy jelpár csatlakozik az analóg-digitális átalakítók bemeneteire. Így négy szimbólumfolyam képződik.
Bár a koherens vétel elvei régóta ismertek, az optikai téren alkalmazásuk nehézségekbe ütközött. Ennek oka a rendkívül stabil keskeny sávú lézerek bonyolultsága és magas költsége, valamint a vett jel és a helyi oszcillátor sugárzás fázisának és frekvenciájának szinkronizálása. Az erőteljes digitális jelfeldolgozási technológiák megjelenése megoldotta a fázisszinkronizálás problémáját. Így a DSP (Digital Signal Processing) blokkban az egyik algoritmus a fáziskülönbség-korreláció a vivőhelyreállítással. Ez kiküszöböli a hardveres frekvencia és frekvencia szinkronizálás szükségességét. források.
2) Digitális jelfeldolgozásHibamentes kódolás. Ma a DSP a koherens transzponder szerves része. Az ADC kimenetekről négy digitális folyam jut a DSP blokkba, ahol az említett szinkronizálással és fáziseltérítéssel további, a hibamentes jelvisszanyeréshez szükséges kompenzációs algoritmusok valósulnak meg. A processzor első funkcionális blokkja kizárja a bemeneti interfész pontatlanságát - a négy komponens közötti időbeli eltérést a koherens vevő optikai és elektromos útjainak egyenlőtlensége, amplitúdóik egyenlőtlensége miatt. Az aszinkron mintavételezési frekvenciát ezután szimbólumonként 2 minta sebességre konvertálja. A DSP kumulatív kromatikus diszperzió kompenzációt biztosít, ami szükségtelenné teszi a fizikai vonalvesztés kompenzátort.
Ahhoz, hogy egy világos fázisdiagramot kapjunk, az is szükséges, hogy minimálisra csökkentsük az amplitúdó eltérését egy adott átlagértéktől.
A diagramok elforgatása a fázissíkban kizárt. A teljes fáziszaj, beleértve a nemlineáris komponensét is, becslésre és kompenzációra kerül. A feldolgozás összes szakaszának befejezése után meghatározzák az érvényes karakterek értékeit. Az utolsó lépés a FEC hibajavítási eljárás . A redundáns kódolás használata a többszintű jel digitális feldolgozásakor akár 9 dB-es erősítést adhat a szükséges OSNR-ben. Az FEC fejléc minden transzponderben hozzáadódik a hasznos terheléshez, amelynek méretét a kód típusa határozza meg.
A DWDM még mindig új technológia, és még tanulmányozni és tanulmányozni kell. Először a távolsági utakon telepítették. És most a DWDM technológia készen áll a távolsági szolgáltatók számára. Pont-pont vagy gyűrű topológia használata esetén az átviteli sebesség jelentősen megnő további optikai szál telepítése nélkül. A DWDM továbbra is nagy mennyiségű adat átvitelét biztosítja. Valójában a rendszerek ereje növekedni fog a technológia fejlődésével, amely lehetővé teszi a közelebbi távolságokat, és ezáltal több hullámhosszt. A DWDM azonban túllép a közlekedésen, és a nagyvárosi területeken a teljesen optikai hálózatok gerincévé válik. A DWDM jövője hullámhossz-kiépítéssel és mesh-alapú biztonsággal. A fotonikus rétegen történő váltás lehetővé teszi ezt az evolúciót, csakúgy, mint az útválasztási protokollok, amelyek lehetővé teszik, hogy a fényutak áthaladjanak a hálózaton, nagyjából ugyanúgy, mint a virtuális áramkörök manapság. Ezek és más fejlesztések közelednek egymáshoz, így egy teljesen optikai infrastruktúra képzelhető el.