Назначение и основные функции компонентов хWDM

Оптические компоненты DWDM позволяют увеличить пропускную способность ВОСП СР за счет одновременной передачи нескольких сигналов на разных длинах волн по общему волокну, а также обеспечивают ввод/выделение и кросс-коммутацию оптических каналов [1].

Структурная схема участка сети DWDM показана рис. 12.6.

 

 

Рисунок 12.6 -  Структурная схема участка сети DWDM

 

Пассивными компонентами являются: оптические мультиплексоры и демультиплексоры, оптические мультиплексоры ввода/вывода, оптические кросс-коммутаторы и компенсаторы хроматической дисперсии.

Оптический мультиплексор (MUX) объединяет сигналы разных длин волн, генерируемые «цветными» оптическими передатчиками интерфейсов SDH, GE, 10 GE и транспондеров, в многоканальный составной оптический сигнал, который далее распространяется по оптическому волокну.

Типовой состав оборудования представляет собой необходимое количество оптических транспондеров, осуществляющих преобразование длин волн и оптический мультиплексор, смешивающий их все в один мультиспектральный сигнал.

Оптический транспондер – устройство, обеспечивающее интерфейс между оборудованием оконечного доступа и линией WDM. Согласно рекомендациям МСЭ G.957 для систем СЦИ (SDH) допустимые значения спектральных параметров на выходных оптических интерфейсах имеют следующие значения: ширина спектральной линии Δλ≈±0.5 нм (для STM -16), а центральная длина волны может иметь любое значение в пределах диапазона 1530... 1565 нм. На входы же оптического мультиплексора должны поступать оптические сигналы, спектральные параметры которых, должны строго соответствовать стандартам, определённым рекомендацией ITU-T G.692. Очевидно, что если на оптические входы мультиплексоров подать сигналы с выходов оптических передатчиков SDH, то мультиплексирование осуществлено не будет. Необходимое соответствие достигается благодаря применению в аппаратуре WDM специального преобразователя длин волн - транспондера. Это устройство может иметь различное количество оптических входов и выходов. Но если на любой вход транспондера может быть подан оптический сигнал, параметры которого определены рекомендации G.957, то выходные его сигналы должны по параметрам соответствовать рекомендации G.692. При этом, если уплотняется m оптических сигналов, то на выходе транспондера длина волны каждого канала должна соответствовать только одному из них в соответствии с сеткой частотного плана ITU.

Оптический демультиплексор (DMX) на дальнем конце мультиплексной секции производит разделение по длине волны составного оптического сигнала на канальные оптические сигналы.

Основой мультиплексора/демультиплексора является дисперсионный элемент, способный разделить сигналы различных длин волн. В современных CWDM-системах для разделения оптических несущих применяются, как правило, относительно недорогие устройства на основе тонкопленочных фильтров (TFF, Thin Film Filter). Потери, вносимые такими устройствами, составляют около 1 дБ на канал (в реальных системах были получены величины менее 2,5 дБ для 8-канального устройства). Тонкопленочная технология характеризуется высокой развязкой (изоляцией) соседних каналов – порядка 30 дБ, высокой температурной стабильностью – 0,002 нм/°С, что эквивалентно изменению рабочей длины волны на ±0,07 нм при изменении температуры на ±35°С. Для выделения длин волн с разносом 20 нм требуются фильтры с существенно меньшим числом диэлектрических слоев, чем в случае DWDM-фильтров (примерно 50 и 150 слоев соответственно), что положительно сказывается на стоимости.

Мультиплексоры/демультиплексоры, основанные на применении многослойных тонкопленочных фильтров, являются (де)мультиплексорами последовательного типа, то есть один фильтр выделяет один канал. Использование таких устройств в системах со большим числом каналов (на практике больше 4-х) может привести к значительному росту вносимых потерь, и в этом случае иногда используют решеточные (де)мультиплексоры параллельного или гибридного параллельно-последовательного типа. Принцип их работы заключается в том, что приходящий сигнал проходит через волновод-пластину и распределяется по множеству волноводов, фактически представляющих собой дифракционную структуру AWG (arrayed waveguide grating). При этом в каждом волноводе по-прежнему присутствуют все длины волн, т.е. сигнал остается мультиплексным, только распараллеленным. Так как длины волноводов отличаются друг от друга на фиксированную величину, потоки проходят разный по длине путь. В итоге световые потоки собираются в волноводе-пластине, где происходит их фокусировка, и создаются пространственно разнесенные максимумы, под которые и рассчитываются выходные полюса. Физика процесса такая же, как в обычной дифракционной решетке, что и дало название технологии. Мультиплексирование происходит обратным путем.

Реконфигурируемые оптические мультиплексоры ввода/вывода (R OADM) используются на промежуточных узлах для программного ввода в составной сигнал и вывода из составного сигнала одного или группы местных оптических каналов. При этом остальные каналы явются сквозными и проходят через узел транзитом.

При кольцевой топологии сети обычно используются ROADM конфигурации E/W. Структурная схема ROADM E/W приведена ри. 12.7.

Состав ROADM:

• WSS – селективные коммутаторы длин волн;

• DMX – оптические демультиплексоры.

Селективные коммутаторы длин волн обеспечивает в узле ROADM ввод, транзитную передачу и выделение оптических каналов.

Рисунок 12.7 -  Структурная схема ROADM E/W

 

Оптические демультиплексоры используются совместно с селективными коммутаторами длин волн и обеспечивают выделение местных оптических каналов.

Как следует из рассмотренного, для реализации функциональных возможностей узла ROADM необходимы два модуля DMX и два модуля WSS.

ROADM является пассивным компонентом и характеризуется большими вносимыми потерями [12]:

• ввод 8 дБ;

• транзит 12 дБ;

• вывод 14 дБ.

Для компенсации потерь, вносимых ROADM, используются оптические усилители.

Пример применения ROADM в составе узла ввода/вывода оптических каналов показан на рис. 12.8.

Оптические кросс-коммутаторы или кросс-коннекторы (OXC) организуются в наиболее загруженных узлах сети, где сходятся три и более направлений. Они выполняют кросс-коммутацию оптических каналов между различными направлениями, т.е. позволяют перенаправлять (маршрутизировать) оптические каналы по новым направлениям.

В сетях с ячеистой топологией необходимо обеспечить гибкие возможности для изменения маршрута следования волновых соединений между абонентами сети. Такие возможности предоставляют оптические кросс-коннекторы, позволяющие направить любую из волн входного сигнала каждого порта в любой из выходных портов (конечно, при условии, что никакой другой сигнал этого порта не использует эту волну, иначе необходимо выполнить трансляцию длины волны).Существуют оптические кросс-коннекторы двух типов:

 

Рисцнок 12.8 - Пример применения ROADM в составе узла ввода/вывода каналов

 

· оптоэлектронные кросс-коннекторы с промежуточным преобразованием в электрическую форму;

· полностью оптические кросс-коннекторы, или фотонные коммутаторы.

Исторически первыми появились оптоэлектронные кросс-коннекторы, за которыми и закрепилось название оптических кросс-коннекторов. Поэтому производители полностью оптических устройств этого типа стараются использовать для них другие названия: фотонные коммутаторы, маршрутизаторы волн, лямбда-маршрутизаторы. У оптоэлектронных кросс-коннекторов имеется принципиальное ограничение — они хорошо справляются со своими обязанностями при работе на скоростях до 2,5 Гбит/с, но начиная со скорости 10 Гбит/с и выше, габариты таких устройств и потребление энергии превышают допустимые пределы. Фотонные коммутаторы свободны от такого ограничения.

В фотонных коммутаторах используются различные оптические механизмы, в том числе дифракционные фазовые решетки и микроэлектронные механические системы (Micro-Electro Mechanical System, MEMS). MEMS представляет собой набор подвижных зеркал очень маленького (диаметром менее миллиметра) размера (рис. 12.9). Коммутатор на основе MEMS включается в работу после демультиплексора, когда исходный сигнал уже разделен на составляющие волны.

За счет поворота микрозеркала на заданный угол исходный луч определенной волны направляется в соответствующее выходное волокно. Затем все лучи мультиплексируются в общий выходной сигнал.

Рисунок 12.9 - Микроєлектронная механическая система кросс-коммутации

 

По сравнению с оптоэлектронными кросс-коннекторами фотонные коммутаторы занимают объем в 30 раз меньше и потребляют примерно в 100 раз меньше энергии. Однако у устройств этого типа низкое быстродействие, к тому же они чувствительны к вибрации.

Тем не менее системы MEMS находят широкое применение в новых моделях фотонных коммутаторов. Сегодня подобные устройства могут обеспечивать коммутацию 256 х 256 спектральных каналов, планируется выпуск устройств с возможностями коммутации 1024 х 1024 каналов и выше.

Компенсаторы хроматической дисперсии (DC) вводят в состав линейного тракта DWDM для коррекции формы импульсов цифрового сигнала.

Оптические усилители (OA): выходные, предварительные и линейные, – устанавливаются в линейном тракте DWDM при большой длине оптической мультиплексной секции. Они обеспечивают компенсацию потерь в оптическом волокне и в пассивных компонентах DWDM.

 

Типовые топологии DWDM

 

Хронологически первой областью применения технологии DWDM (как и технологии SDH) стало создание сверхдальних высокоскоростных магистралей, имеющих топологию двухточечной цепи (рис. 12.10).

Для организации такой магистрали достаточно в ее конечных точках установить терминальные мультиплексоры DWDM, а в промежуточных точках — оптические усилители, если этого требует расстояние между конечными точками.

Рисунок 12.10 - Сверхдальняя двухточечная связь на основе терминальныхмультиплексоров DWDM

 

В приведенной на рисунке схеме дуплексный обмен между абонентами сети происходит за счет однонаправленной передачи всего набора волн по двум волокнам. Существует и другой вариант работы сети DWDM, когда для связи узлов сети используется одно волокно.

Дуплексный режим достигается путем двунаправленной передачи оптических сигналов по волокну — половина волн частотного плана передают информацию в одном направлении, половина — в обратном.

Естественным развитием топологии двухточечной цепи является цепь с промежуточными подключениями, в которой промежуточные узлы выполняют функции мультиплексоров ввода-вывода (рис. 12.11).

Рисунок 12.11 - Цепь DWDM с вводом-выводом в промежуточных узлах

Оптические мультиплексоры ввода-вывода (Optical Add-Drop Multiplexer, OADM) могут вывести из общего оптического сигнала волну определенной длины и ввести туда сигнал этой же длины волны, так что спектр транзитного сигнала не изменится, а соединение будет выполнено с одним из абонентов, подключенных к промежуточному мультиплексору.

OADM поддерживает операции ввода-вывода волн сугубо оптическими средствами или с промежуточным преобразованием в электрическую форму. Обычно полностью оптические (пассивные) мультиплексоры ввода-вывода могут отводить небольшое число волн, так как каждая операция вывода требует последовательного прохождения оптического сигнала через оптический фильтр, который вносит дополнительное затухание. Если же мультиплексор выполняет электрическую регенерацию сигнала, то количество выводимых волн может быть любым в пределах имеющегося набора волн, так как транзитный оптический сигнал предварительно полностью демультиплексируется.

Кольцевая топология (рис. 12.12) обеспечивает живучесть сети DWDM за счет резервныхпутей. Методы защиты трафика, применяемые в DWDM, аналогичны методам в SDH. Для того чтобы какое-либо соединение было защищено, между его конечными точками устанавливаются два пути: основной и резервный. Мультиплексор конечной точки сравнивает два сигнала и выбирает сигнал лучшего качества.

Рисунок 12.12 - Кольцо мультиплексоров DWDM

 

По мере развития сетей DWDM в них все чаще будет применяться ячеистая топология (рис. 4), которая обеспечивает лучшие показатели в плане гибкости, производительности и отказоустойчивости, чем остальные топологии. Однако для реализации ячеистой топологии необходимо наличие оптических кросс-коннекторов (Optical Cross-Connector, ОХС), которые не только добавляют волны в общий транзитный сигнал и выводят их оттуда, как это делают мультиплексоры ввода-вывода, но и поддерживают произвольную коммутацию между оптическими сигналами, передаваемыми волнами разной длины.

Рисунок 12.13 - Ячеистая топология DWDM

Лекция №13