Основная | О фирме  | Новости  | Продукция |  Продажа  | Поддержка  | Разное |

Мультиплексирование с разделением по длине волны

Леонид Бараш

     Цена успеха в информационный век может измеряться емкостью сетевых магистралей или ее недостатком. При создании большинства телефонных сетей, которые до сих пор являются основной базовой инфраструктурой сетей передачи данных, моделью для оценки пропускной способности каналов служил поток Пуассона в предположении, что каждый индивидуум использует сеть шесть минут в час. Конечно же формула не учитывала взрывной рост трафика, обусловленный Internet (около 300% ежегодно), иначе оценка, безусловно, была бы совершенно иной.
     В последнее десятилетие операторы дальней связи начали использовать в качестве магистральных каналов оптоволокно. Применяя технологию мультиплексирования с разделением по времени (Time Division Multiplexing -- TDM), удалось достичь скоростей передачи 2,4 Gbps по одному волокну (канал ОС-48/STM-16). В некоторых случаях с помощью аппаратуры ОС-192/STM-64 удается достичь 10 Gbps.
     Проблема нехватки пропускной способности оптоволоконных магистралей может быть решена тремя способами:
  • прокладкой новых кабелей;
  • усовершенствованием аппаратуры TDM;
  • использованием технологии мультиплексирования с разделением по длине волны (Wavelength Division Multiplexing -- WDM).

     Первый способ до недавнего времени являлся стандартным для многих провайдеров, испытывавших необходимость повысить пропускную способность каналов. Как правило, прокладка нового кабеля оправдывается только при небольших расстояниях и если она не сопряжена с трудностями. Но даже в таком случае оператор вряд ли сможет предоставить новые сервисы и утилизировать полосу пропускания в достаточной степени. Это может показаться неожиданным, но установленное сегодня оборудование TDM использует менее 1% возможностей оптоволокна. В большинстве случаев такое решение оказывается непрактичным или даже невозможным.
     Как уже упоминалось выше, в некоторых случаях провайдеры могут предоставить канал ОС-192/STM-64 с пропускной способностью 10 Gbps. Однако здесь возникает целый ряд проблем. Дело в том, что большая часть инсталлированной базы кабелей использует одномодовое оптоволокно, для которого дисперсия в окне прозрачности 1550 нм оказывается слишком высокой. В результате для эффективной передачи необходимо прокладывать либо отрезки кабеля с дисперсией противоположного знака, либо полностью новое волокно со смещенной ненулевой дисперсией (Non-Zero Dispersion Shifted Fiber -- NZDSF). Кроме этого, увеличение скорости передачи приводит к высокой плотности потока излучения на достаточно протяженных участках. Это, в свою очередь, вызывает нелинейные оптические эффекты, в результате которых искажается форма волны. Вот далеко не полный перечень ограничений при переходе к высоким скоростям. Поэтому при таком подходе оператор вынужден протестировать буквально каждый канал на его совместимость с аппаратурой ОС-192/STM-64.
     Третий способ, который более точно называется плотным (Dense) мультиплексированием с разделением по длине волны (DWDM), позволяет одновременно передавать по одному оптоволокну большое число информационных потоков при технологически приемлемых скоростях (например, 2,4 Gbps). Так, мультиплексирование 16 каналов дает немедленное увеличение пропускной способности в 16 раз по уже имеющимся оптоволоконным кабелям.
     Перейдем теперь к более подробному рассмотрению этой технологии.
     
     Становление DWDM
     Технология оптического, или спектрального, уплотнения была предложена в 1980 г. Дж. П. Лауде (J. P. Laude) из компании Instruments S. A. Ее сущность сводится к тому, что потоки данных переносятся световыми волнами различной длины. Несущие генерируются отдельными источниками (лазерами), модулируются некоторым цифровым сигналом и затем объединяются мультиплексором в многочастотный сигнал (рис. 1). Формально технология очень напоминает мультиплексирование с разделением по частотам (Frequency Division Multiplexing -- FDM), широко применяемое в телефонии. Ранние версии оптического уплотнения использовали два окна прозрачности оптоволокна на длинах волн 1300 и 1550 нм. Это давало два широко разделенных по длине волны канала на одном световоде. Некоторые системы объединяли четыре также довольно широко (десятки и сотни нанометров) разделенных канала в полосе 1550 нм. Однако только последние достижения в технологии позволили объединить восемь и более каналов в одном волокне и тем самым говорить о плотном мультиплексировании.




     Реально о DWDM можно было уже говорить в 1985 г., когда в Лабораториях Белла (Bell Laboratories), исследовательском центре AT&T, ныне принадлежащем компании Lucent, удалось мультиплексировать 10 каналов по 2 Gbps каждый, отстоящих друг от друга на 1,3 нм. В 1996 г. сразу три компании -- Bell Labs, Fujitsu Labs и Nippon Telegraph and Telephone -- в лабораторных условиях достигли скорости передачи 1 Tbps, а организация All-Optical Networking Consortium сообщила о возможности увеличить пропускную способность до 4 Tbps, объединяя 40 каналов по 100 Gbps каждый.
     Хотя теоретические основы технологии DWDM весьма просты, техническая реализация идеи сталкивается со значительными трудностями. Достичь ее коммерческого уровня позволили разработка широкополосных оптических усилителей на основе оптоволокна, легированного эрбием (Erbium Doped Fiber Amplifier -- EDFA), и достаточно точных волновых демультиплексоров.
     Для регенерации сигнала обычными методами с помощью электрооптических повторителей необходимо было бы сначала выполнить демультиплексирование, затем преобразовать световой сигнал в электрический, усилить его и произвести цепочку обратных преобразований. Оптический усилитель содержит участок волокна с примесью эрбия, который приводится в возбужденное состояние с помощью лазера накачки. Усиленное излучение стимулируется проходящим световым потоком. Одним из наиболее важных достоинств такого усилителя, кроме удивительной простоты, является слабая зависимость вынужденного излучения от частоты падающего света, что позволяет выполнять усиление в достаточно широком диапазоне частот (обычно это полоса 1530--1560 нм).
     В настоящее время существует несколько методов демультиплексирования, или выделения каналов. В качестве примера рассмотрим (схематично) оптоволоконную решетку Брэгга (надеюсь, что это имя еще не забылось из институтского курса оптики). Она представляет собой участок волокна, в сердцевине которого коэффициент преломления непрерывно и периодически изменяется. Эти изменения можно вызвать воздействием ультрафиолетового излучения, прикладываемого с помощью интерферометра или фазовой маски. Таким образом получают пространственную дифракционную решетку, позволяющую разрешить главные максимумы дифракционной картины для каждой из длин волн. Установив соответствующую матрицу светоприемников, выделяют каналы из составного сигнала.
     Объединение этих двух технологий явилось основой для построения коммерчески доступных оптоволоконных транспортных систем. Однако их широкому распространению способствовала разработка оптического мультиплексора ввода/вывода каналов (Optical Add-Drop Multiplexer -- OADM), с помощью которого можно было ввести или выделить низкоскоростной канал, не выполняя при этом полного демультиплексирования сигнала. Такой мультиплексор помещается в любом месте между терминалами. Коммерческие устройства позволяли отводить или вводить до четырех каналов ОС-48/STM-16. Особенно подходят OADM в случае ячеистой сети или кольцевой топологии, используемой для повышения живучести.
     Сегодняшние телекоммуникационные сети немыслимы без системы управления. Поэтому все современные DWDM-системы включают интегрированные средства сетевого администрирования, удовлетворяющие стандартам ITU для Telecommunication Management Network (TMN). Такие системы для управления используют служебные оптические каналы, независимые от рабочих каналов DWDM.

     Модель взаимодействия транспортных систем

     До появления WDM многоуровневая модель взаимодействия технологий передачи сигнала в глобальных сетях, использующих в качестве транспорта SDH/SONET, состояла из среды передачи (оптоволокна) и трех уровней (рис. 2). Для передачи трафика пакеты верхнего уровня инкапсулировались в транспортные модули STM (Synchronous Transport Module) стандарта SDH или в транспортные сигналы STS стандарта SONET, которые затем через соответствующий физический интерфейс поступали в оптическую среду передачи.

Технология WDM несколько изменила вид модели (рис. 3). Теперь ячейки АТМ и пакеты IP уже не требуют обязательной инкапсуляции в блоки STM/STS, что упрощает их обработку. Безусловно, для сохранения преемственности традиционных моделей взаимодействия эти виды трафика могут передаваться посредством WDM с использованием SDH/SONET в качестве промежуточного уровня. Таким образом, DWDM позволяет провайдерам предоставлять услуги, такие, как видео и мультимедиа, как IP-трафик поверх АТМ, так и голос поверх SDH/SONET. Несмотря на то что эти три формата обладают различными возможностями по управлению полосой пропускания, все они могут быть переданы поверх оптического уровня DWDM.

     Поддержка индустрии
     В настоящее время устройства DWDM производят практически все ведущие на рынке телекоммуникаций компании. Среди них Alcatel, Bosch, Ciena, Ericsson, Fujitsu, GPT-Siemens, Hitachi, Lucent, NEC, Nortel Networks, NTT. Их можно разделить на две группы. К первой относятся компании, традиционно выпускающие системы SDH/SONET (к примеру, Alcatel, Lucent, NEC, Nortel), ко второй -- "новички" (Ciena, Eonyx, IBM, Osicom). Первые разрабатывают на базе технологии DWDM транспортные средства для глобальных сетей, тогда как вторые работают в секторе локальных или сетей масштаба города (Metropolitan Area Networks -- MAN).
     Что касается области применения DWDM, то, как и для всякой новой технологии, она постоянно расширяется. Этому сопутствуют ее совместимость с инсталлированной базой оптоволокна, а также прозрачность и интероперабельность с существующими протоколами.

Компьютерное Обозрение #28, 21 июля 1999