DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing) - Dense Wavelength Division Multiplexing .
Avståndet mellan bärare i DWDM-system kan vara 25 - 200 GHz, i moderna nätverk används oftast ett 50 GHz-kanalnät . Spektralbanden C (1530..1565 nm), S (1460..1530 nm) och L (1565..1625 nm) används för transmission.
Kapaciteten hos ett DWDM-system beräknas med formeln:
C = M·B , där M är antalet spektrala kanaler, B är överföringshastigheten i varje kanal. Fördelar med DWDM:
I december 2012 gjorde T8 [1] -specialister en rekordöverföring [2] på 1Tbit/s (10x100G) över en sträcka på 500,4 km. Budgeten för en 1-kanalslinje var 84 dB.
Nätverksarkitektur är baserad på många faktorer, inklusive applikations- och protokolltyper, avstånd, användnings- och åtkomstmönster och äldre nätverkstopologier. På storstadsmarknaden, till exempel, kan punkt-till-punkt-topologier användas för att koppla samman företagsplatser, ringtopologier för att ansluta inter-kontorsfaciliteter (IOF) och till bostadsaccess, och mesh-nätverkstopologier kan användas för att ansluta mellan POP:er och ansluta till en ryggrad. Faktum är att det optiska lagret måste stödja många topologier, och på grund av oförutsägbara förändringar i detta område måste dessa topologier vara flexibla.
Idag är de huvudsakliga distributionstopologierna punkt-till-punkt och ring. Med punkt-till-punkt DWDM-länkar mellan stora företagsplatser behövs endast en enhet hos kunden för att konvertera applikationstrafik till specifika våglängder och multiplex. Bärare med linjär ringtopologi kan utvecklas till fulla ringar baserat på OADM. I takt med att konfigurerbara optiska korskopplingar och switchar blir vanligare kommer dessa punkt-till-punkt- och ringnätverk att sammankopplas, vilket gör optiska tunnelbanor till helt flexibla plattformar.
Punkt-till-punkt-topologier kan implementeras med eller utan OADM. Dessa nätverk kännetecknas av ultrahög länkhastighet (10 till 40 Gbps), hög signalintegritet och tillförlitlighet och snabb återställning av vägar. I långdistansnätverk kan avståndet mellan sändare och mottagare vara flera hundra kilometer, och antalet förstärkare som krävs mellan ändpunkter är vanligtvis mindre än 10. I MAN behövs ofta inte förstärkare.
Skydd i punkt-till-punkt-topologier kan tillhandahållas på två sätt. I första generationens utrustning är redundansen på systemnivå. Parallella länkar förbinder redundanta system i båda ändar. Failover är klientens hårdvaras ansvar (som en switch eller router), medan DWDM-systemen själva helt enkelt tillhandahåller kapacitet.
I andra generationens utrustning är redundansen på kortnivå. Parallella kanaler förbinder enstaka system i båda ändar, som innehåller dubblerade transpondrar, multiplexorer och processorer. Här har skyddet migrerats till DWDM-utrustning och växlingslösningar är under lokal kontroll. En typ av implementering använder till exempel ett 1+1-skyddssystem baserat på SONET Automatic Protection Switching (APS).
Ringar är den vanligaste arkitekturen i storstadsområden och sträcker sig över flera tiotals kilometer. En fiberring kan innehålla så få som fyra våglängdskanaler och vanligtvis färre noder än kanaler. Datahastigheter sträcker sig från 622 Mbps till 10 Gbps per kanal.
Ringkonfigurationer kan distribueras med ett eller flera DWDM-system som stöder all-till-valfri trafik, eller så kan de ha en centralstation och en eller flera OADM-noder eller satelliter. I hubben skapas, avslutas och hanteras trafik, och anslutningar upprättas till andra nätverk. Vid OADM-noder tas valda våglängder bort och läggs till medan resten passerar transparent (expresskanaler). Således tillåter ringarkitekturer noder i ringen att ge åtkomst till nätverkselement såsom routrar, switchar eller servrar genom att lägga till eller ta bort våglängdskanaler i den optiska domänen. Men när antalet OADM ökar kommer signalen att gå förlorad och förstärkning kan krävas.
Kandidatnätverk för DWDM-tillämpningar i stadsområden är ofta redan baserade på SONET-ringstrukturer med 1+1 fiberskydd.Således kan system som enkelriktad vägkopplad ring (UPSR) eller dubbelriktad linjeomkopplad ring (BLSR) återanvändas för DWDM-implementering.
I ett tvåfibrigt UPSR-schema sänder hubben och noderna signalen på två motroterande ringar, men samma fiber används vanligtvis av all utrustning för att ta emot signalen; därav namnet enkelriktad. Om arbetsringen misslyckas, växlar den mottagande utrustningen till ett annat par.
Även om detta ger full vägredundans är återanvändning av bandbredd inte möjlig eftersom den redundanta fibern alltid måste vara tillgänglig för att transportera trafik. Detta schema används oftast i accessnätverk.
Andra scheman, såsom Bi-Directional Switched Ring (BLSR), tillåter trafik att resa från den sändande noden till den mottagande noden längs den mest direkta rutten. På grund av detta anses BLSR vara det föredragna valet för SONET-kärnnätverk, särskilt när det implementeras med fyra fibrer för att ge full redundans.
Mesh-arkitekturer är framtiden för optiska nätverk. När nätverken utvecklas kommer ring- och punkt-till-punkt-arkitekturer fortfarande att ha en plats, men nätet lovar att vara den mest robusta topologin. Denna utveckling kommer att underlättas genom införandet av konfigurerbara optiska korskopplingar och switchar, som i vissa fall kommer att ersätta och i andra fall komplettera fasta DWDM-enheter.
Ur designsynpunkt finns det en graciös evolutionär väg från punkt-till-punkt-topologi till mesh-topologi. Genom att börja med punkt-till-punkt-länkar utrustade från början med OADM-noder för flexibilitet, och sedan ansluta dem, kan nätverket bli ett mesh utan en fullständig ombyggnad. Dessutom kan mesh- och ringtopologier kopplas ihop med punkt-till-punkt-anslutningar.
DWDM mesh-nätverk, bestående av sammankopplade helt optiska noder, kommer att kräva nästa generations skydd. Medan tidigare skyddssystem var baserade på redundans på system-, kort- eller fibernivå, kommer redundans nu att flyttas till våglängdsnivån. Detta innebär bland annat att datalänken kan ändra våglängder när den färdas genom nätverket på grund av routing eller våglängdsväxling på grund av ett fel. Situationen liknar situationen med en virtuell kanal genom ATM- molnet , som kan uppleva förändringar i värdena för den virtuella sökvägsidentifieraren (VPI) ( eng. VPI - Virtual Path Identifier)/virtuell kanalidentifierare (VCI) ( eng. VCI - Virtual Channel Identifier) vid omkopplingspunkter . I optiska nätverk kallas detta koncept ibland för ljusbanan .
Därför kommer mesh-nätverk att kräva en hög nivå av intelligens för att utföra skydds- och bandbreddshanteringsfunktionerna, inklusive fiberoptik och våglängdsväxling. Fördelarna i flexibilitet och effektivitet är dock potentiellt stora. Fiberutnyttjandet, som kan vara lågt i ringlösningar på grund av behovet av säkerhetsfibrer på varje ring, kan förbättras i en mesh-design. Skydd och återhämtning kan baseras på gemensamma banor, vilket kräver färre fiberpar för samma mängd trafik och inte slösar oanvända våglängder.
Slutligen kommer mesh-nätverk att förlita sig mycket på hanteringsprogramvara. Ett protokoll baserat på Multiprotocol Label Switching (MPLS) är under utveckling för att stödja rutter över ett helt optiskt nätverk. Dessutom kommer nätverkshantering att kräva en ännu inte standardiserad kanal för att skicka meddelanden mellan nätverkselement.
Innan vi överväger metoder för att förbättra prestandan hos ett DWDM-system och uppgradera optiska transportnät i allmänhet, kommer vi att överväga flera orsaker till fel i mottagningen. Mottagarens brus (eller pulser) minskar dämpningen och stör deras uppfattning ASE (Amplified Spontaneous Emission) brus ackumuleras när gruppsignalen passerar genom optiska förstärkare.
På ojämna linjer är spridning, brus och överbelastning av mottagare de främsta orsakerna till fel. Införandet av optiska förstärkare ändrar problemets natur från grundläggande till ingenjörskonst: innan signalen skickas till mottagaren förstärks den till optimal nivå (långt från gränserna för känslighet och laddning). För att kompensera för spridningen är linjen utrustad med speciella enheter - kompensatorer som återställer pulslängden innan signalen appliceras på ingången till den mottagande delen av transpondern.
Priset att betala för att övervinna de två första orsakerna till fel är införandet av ASE-brus och icke-linjär distorsion. Det senare är resultatet av linjens olika tillstånd i närvaro av förstärkning. Nu finns det flera (ibland flera dussin) förstärkarsektioner i regenereringssektionen, och i början av var och en av dem, där den optiska signalens intensitet är tillräckligt hög, lider signalen av icke-linjära effekter.
Av ekonomiska skäl leder önskan att använda förstärkarspektrumet mer effektivt och att minimera antalet förstärkare i en linje till uppkomsten av tätt placerade högeffektskanaler i spektrumet. Detta leder till utvecklingen av intrakanaliga och interkanaliga icke-linjära effekter.
Transpondrar och aggregerande transpondrar designade för drift i nätverk som inte innehåller optiska förstärkare (vanligen CWDM) är optimerade för känslighet och dispersionsmotstånd. Detta är inte relevant för DWDM-lösningar - det kräver kanaliseringsutrustning som är kompatibel med ASE-brus och signalövertoner.
Tillåtna gränsparametrar för den optiska insignalen är de värden som ger den erforderliga felfaktorn med de återstående parametrarna optimala.
Antalet fel i en bitström kännetecknas av ett BER-värde (bitfelhastighet) lika med förhållandet mellan felbitar och det totala antalet överförda bitar. Kommunikationssystemets kund specificerar den maximalt tillåtna BER, som vanligtvis ligger i intervallet 10-10...-12.
För CWDM-utrustning definieras mottagarkänslighet och spridningsmarginaler på liknande sätt: känslighet är det minsta tillåtna effektvärdet på mottagarsidan vid vilket en oförvrängd optisk signal tas emot med ett givet felvärde. För DWDM-utrustning är den huvudsakliga egenskapen ASE-brusimmunitet. ASE-brusvärdet bestämmer OSNR-parametern (optisk signal/brusförhållande) och varje DWDM-transponder/aggregationstransponder beskrivs av det erforderliga värdet. Den erforderliga OSNR är den minsta tillåtna OSNR så att signalmottagning är möjlig inom den erforderliga BER.
Vi definierar begreppet "systemprestanda" som produkten av kommunikationssystemets kapacitet C full och överföringsavståndet L. Avståndsområdet för returresan är det totala överföringsavståndet över en flerlinjeslänk med 14 mellanliggande förstärkare utan signal regeneration. Uppenbarligen kan ett DWDM-systems prestanda utökas på två sätt: för att öka kommunikationssystemets bandbredd och för att uppnå en ökning av överföringsavståndet.
Den totala genomströmningen av ett system med sådana kanaler bestäms av produkten av antalet kanaler och kanalgenomströmningen. Det senare bestäms av två faktorer: symbolhastighet och symboleffektivitet.
Datahastigheten för ett kommunikationssystem (total baudhastighet V, bps = baud) består av datahastigheterna i varje kanal (för ett system med samma kanaler är det produkten av antalet NCH-kanaler och VB-hastigheten [bps) ] i varje kanal). Det maximala antalet kanaler i ett enda fiberpar ställs in av den nuvarande divisionsmultiplexeringsstandarden (t.ex. CWDM , DWDM 100 GHz C, DWDM 50 GHz C+L). Bithastigheten för en VB-kanal är produkten av symbolhastigheten VS (symboler per sekund) och symbolhastighetseffektiviteten för moduleringsformatet som används ES (bit/symbol). Med andra ord, ES-parametern bestämmer mängden information (databitar) som sänds i ett tecken. Det uttrycks som bas 2-logaritmen för kraften i algoritmen (antalet värden en symbol kan ta).
1) Ökande symbolhastighetEn ökning av symbolhastigheten VS åstadkommes genom en ökning av sändarmodulatorns frekvens. Gränsvärdena för den symboliska hastigheten för en elektrisk signal bestäms av egenskaperna hos materialet, högfrekvent elektronik och modulatorer. När det gäller implementering är det tillgängliga värdet cirka 32 GB på en standardelementbas. Detta uppnås för första gången i 100G-system. 45 Gbaud används i de flesta moderna 2×200G-processorer. Värden på 64 Gbaud är under laboratorietestning. Eftersom komponentbasen ständigt förbättras är en ytterligare liten ökning av denna parameter möjlig, men betydande språng i denna riktning bör inte förväntas.
2) Moduleringsformat med flera nivåerHistoriskt sett dök de första amplitudmoduleringsformaten för optisk strålning upp i NRZ (Non-Return-to-Zero) och RZ (Return-to-Zero) modifikationer, där RZ-koden är mer motståndskraftig mot icke-linjära effekter i fibern. De gav dataöverföringshastigheter på upp till 10 Gbps. Användningen av amplitudmodulering har varit svår vid hastigheter över 40 Gbit/s eftersom bredden på det optiska spektrumet har blivit jämförbar med kanalutrymmet i ett DWDM-system. Förutom instabiliteten hos amplitudmodulerade signaler till icke-linjära distorsioner, leder detta till användningen av fasmoduleringsformat, där information kodar fasen för den optiska signalen eller fasskillnaden för intilliggande symboler (på grund av fasosäkerheten hos den inkommande symbol, differentiell kodning är ofta obligatorisk).
Moderna lösningar använder samtidigt alla frihetsgrader av signalen: amplitud, fas och polarisering av ljusstrålning. Idag är det vanligaste modulationsformatet för 100 Gigabit-system DP-QPSK (Shift-Double Quadrature Keying), där information kodas i två polarisationstillstånd och fyra fasvärden.
Därför genereras QPSK- signaler i var och en av polarisationerna, vilka kombineras med en polarisationsdelare för att bilda en DP-QPSK-struktur. Varje symbol i DP-QPSK-formatet bär 4 informationsbitar (2 bitar per symbol i var och en av polarisationerna). Övergången till 200G och 400G kommer också att medföra en förändring av ljusets amplitud. De respektive moduleringsformaten DP-16QAM och DP-64QAM ökar den spektrala effektiviteten avsevärt, vilket möjliggör högre datahastigheter i det konventionella 50 GHz-bandet.
I moderna DWDM-lösningar med ett tätt arrangemang av optiska kanaler finns det inga lediga intervall mellan kanalerna, så det enda sättet att öka den spektrala effektiviteten är att öka den totala datahastigheten i systemet utan att utöka det användbara spektralområdet. Detta är en av huvudorsakerna till övergången från amplitud till ett mer komplext faskoherent moduleringsformat. Avgiften för en sådan vinst är en minskning av överföringsområdet.
3) Ökning av antalet operatörerEn ökning av antalet kanaler kan leda till utvecklingen av nya spektralområden som begränsas av den begränsade effektiva bandbredden hos optiska förstärkare.
En annan riktning är att minska kanalutrymmet i det konventionella optiska området. Detta kräver en övergång till en ny våglängdsmultiplexeringsstandard och kan leda till ökad interkanalinterferens.
Det andra sättet att förbättra prestandan hos ett DWDM-system är att öka avståndet. Det beror på många faktorer: motståndet hos den valda transpondern mot ASE-brus och icke-linjär distorsion, parametrarna för förstärkare och fibrer, kanalnätet, etc. Mottagarens känslighetströskel (dB) bestämmer också överföringsområdet. OSNRr (Optical Signal to Noise Ratio Required) är förhållandet mellan signal- och brusnivåer när en inkommande signal fortfarande kan detekteras. Operatörer står ofta inför utmaningen att öka överföringshastigheterna med bibehållen räckvidd. En sådan uppdatering kan ske genom att ersätta transpondrar med mer avancerade samtidigt som den erforderliga OSNR bibehålls.
1) Sammanhållen mottagningFör att spara räckvidd används en kombination av spektralt effektiva moduleringsformat och koherent mottagning. Uppgiften för koherent detektering är att blanda den inkommande informationssignalen med strålningen från en referenslaser. Spektrumomvandlingen utförs på ett sådant sätt att fotodetektorn innehåller fullständig information om den ursprungliga optiska signalen.
Med hjälp av polarisationsdelare delas informationssignalen och referenslasermottagaren i två ortogonala komponenter. En 90 graders optisk bländare krävs för att blanda polarisationskomponenterna i signalen med X- och Y-komponenterna i den mottagande lasern.
Referenslaserns frekvens kan fritt omkopplas inom ett område av ±20 MHz i förhållande till den sändande laserns bärvågsfrekvens. I moderna sammanhängande lösningar överstiger laserstrålningens bredd inte 100 GHz. Fyra par signaler från symmetriska fotodetektorer, som ökar mottagningskänsligheten, är anslutna till ingångarna på analog-till-digital-omvandlare. Sålunda bildas fyra symbolströmmar.
Även om principerna för koherent mottagning har varit kända under lång tid, har deras tillämpning inom det optiska området varit svår. Detta berodde på komplexiteten och de höga kostnaderna för mycket stabila smalbandslasrar med behovet av att synkronisera fasen och frekvensen för den mottagna signalen och den lokala oscillatorstrålningen. Tillkomsten av kraftfulla digitala signalbehandlingsteknologier har löst problemet med fassynkronisering. Således, i DSP -blocket (Digital Signal Processing) är en av algoritmerna fasskillnadskorrelation med användning av bärvågsåtervinning. Detta eliminerar behovet av hårdvarufrekvens och frekvenssynkronisering. källor.
2) Digital signalbehandlingFelfri kodning. Idag är DSP en integrerad del av den koherenta transpondern. Fyra digitala strömmar från ADC-utgångarna går in i DSP-blocket, där, med nämnda synkronisering och fasavledning, implementeras andra kompensationsalgoritmer som är nödvändiga för felfri signalåterställning. Processorns första funktionsblock utesluter felaktigheter i ingångsgränssnittet - en tidsobalans mellan de fyra komponenterna på grund av olikheten mellan de optiska och elektriska vägarna hos den koherenta mottagaren, olikheten i deras amplituder. Den asynkrona samplingshastigheten omvandlas sedan till en hastighet av 2 sampel per symbol. DSP tillhandahåller kumulativ kromatisk dispersionskompensation, vilket eliminerar behovet av en fysisk linjeförlustkompensator.
För att få ett tydligt fasdiagram är det också nödvändigt att minimera amplitudens avvikelse från något givet medelvärde.
Rotation av diagram i fasplanet är uteslutet. Det totala fasbruset, inklusive dess icke-linjära komponent, uppskattas och kompenseras. Efter slutförandet av alla stadier av bearbetningen bestäms värdena för giltiga tecken. Det sista steget är FEC -felkorrigeringsproceduren . Användningen av redundant kodning i den digitala behandlingen av en flernivåsignal kan ge en förstärkning i den erforderliga OSNR upp till 9 dB. FEC-huvudet läggs till nyttolasten i varje transponder, vars storlek bestäms av kodtypen.
DWDM är fortfarande en ny teknik och den återstår att studera och studera. Den sattes först ut på långvägar. Och nu är DWDM-tekniken redo för långväga operatörer. När du använder en punkt-till-punkt- eller ringtopologi kommer genomströmningen att ökas avsevärt utan att ytterligare fiber distribueras. DWDM kommer att fortsätta tillhandahålla genomströmning för stora datamängder. Faktum är att systemens kraft kommer att öka i takt med att tekniken går framåt som möjliggör närmare avstånd och därför fler våglängder. Men DWDM går också bortom transport och blir ryggraden i helt optiska nätverk i storstadsområden. Framtiden för DWDM med våglängdsprovisionering och mesh-baserad säkerhet. Omkoppling vid fotonskiktet kommer att tillåta denna utveckling, liksom routingprotokoll som tillåter ljusvägar att korsa nätverket på ungefär samma sätt som virtuella kretsar gör idag. Dessa och andra framsteg konvergerar så att en helt optisk infrastruktur kan föreställas.