1.5.3. Плотное волновое мультиплексирование

Мультиплексоры DWDM

Мультиплексоры DWDM осуществляют объединение/разделение большого числа волновых каналов (до 32-х и более). Поэтому, наряду с устройствами собственно плотного волнового мультиплексирования/демультиплексирования, в системах передачи с DWDM возможно применение устройств, работающих в режиме мультиплексора ввода/вывода, т. е. устройств, допускающих добавление или вывод одного и более волновых каналов в/из основной мультиплексный сигнал, представленный большим числом индивидуальных каналов. Поскольку выходные порты демультиплексора закреплены за определенными длинами волн, говорят, что такое устройство осуществляет пассивную маршрутизацию по длинам волн. Из-за малых расстояний между каналами и необходимости работы с большим числом каналов одновременно, изготовление мультиплексоров DWDM требует значительной прецизионности. Кроме того, важно обеспечить высокие характеристики по ближним (коэффициент направленности) и дальним (изоляция) переходным помехам на портах DWDM устройства. Все это приводит к высокой стоимости изделий плотного волнового мультиплексирования.

Типовая схема DWDM мультиплексора с зеркальным отражающим элементом показана на рис. 1.32 а. Рассмотрим его работу в режиме демультиплексирования. Приходящий мультиплексный сигнал попадает на входной порт. Затем этот сигнал проходит через волновод-пластину и распределяется по множеству волноводов, представляющих собой дифракционную структуру. Сигнал в каждом из волноводов остается по-прежнему мультиплексным, а каждый канал остается представленным во всех волноводах. Далее происходит отражение сигналов от зеркальной поверхности, и, в итоге, световые потоки вновь собираются в волноводе-пластине, где происходит их фокусировка и интерференция – образуются пространственно разнесенные интерференционные максимумы интенсивности, соответствующие разным каналам. Геометрия волновода-пластины, в частности, расположение выходных полюсов и длины волноводов дифракционной структуры рассчитываются таким образом, чтобы интерференционные максимумы совпадали с выходными полюсами. Мультиплексирование происходит обратным путем.

Порты ввода/вывода Входные волноводы

В вод

а)

Зеркало

Волновод-пластина

Дифракционная структура

на основе массива волноводов

Ввод Вывод

б)

Рис. 1.32. Типовые схемы DWDM мультиплексора.

Другой способ построения мультиплексора базируется не на одной, а на паре волноводов-пластин (рис. 1.32 б). Принцип действия такого устройства аналогичен предыдущему случаю за исключением того, что здесь для фокусировки и интерференции используется дополнительная пластина.

DWDM мультиплексоры, являясь чисто пассивными устройствами, вносят большое затухание в сигнал. Например, потери для устройства (рис. 1.32 а), работающего в режиме демультиплексирования, составляют 10-12 дБ, при дальних переходных помехах <-20 дБ, и полуширине спектра сигнала 1 нм. Из-за больших потерь почти всегда возникает необходимость установления оптического усилителя перед и/или после DWDM мультиплексора.

Разнесение каналов по частоте и стандартизация DWDM.

Самым важным параметром в технологии плотного волнового мультиплексирования бесспорно является расстояние между соседними каналами. Стандартизация пространственного (по длине волны или частоте) расположения каналов нужна, уже хотя бы потому, что на ее основе можно проводить тесты на взаимную совместимость оборудования разных производителей. МСЭ-Т утвердил частотный план DWDM с расстоянием между соседними каналами 100ГГц (0,8 нм) и 50 ГГц (0,4 нм). Без понимания того, какие ограничения и преимущества имеет каждый частотный план, операторы связи и организации, планирующие наращивание пропускной способности сети, могут столкнуться со значительными трудностями и излишними инвестициями.

Сетка 100 ГГц. В табл. 1.2 приведены сетки частотного плана 100 ГГц с различной степенью разреженности каналов. Все сетки, кроме одной 500/400, имеют равноудаленные каналы. Равномерное распределение каналов позволяет оптимимзировать работу волновых конверторов, перестраиваемых лазеров и других устройств оптической сети, а также позволяет легче ее наращивать. Реализация той или иной сетки частотного плана во многом зависит от трех основных факторов: типа используемых оптических усилителей (кремниевого или фтор-цирконатного); скорости передачи на волновой канал – 2,4 Гбит/с (СТМ-16) или 10Гбит/с (СТМ-64); влияния нелинейных эффектов, причем все эти факторы сильно взаимосвязаны между собой.

Стандартные усилители EDFA на кремниевом волокне имеют один недостаток – большую неравномерность коэффициента усиления в области ниже 1540 нм, что приводит к более низким значениям соотношения сигнал/шум и нелинейным искажениям в этой области. Одинаково нежелательны как сильно низкие, так и сильно высокие значения коэффициента усиления. С ростом полосы пропускания минимально допустимое соотношение сигнал/шум возрастает – так, для канала СТМ-64 оно на 4-7 дБ выше, чем для СТМ-16. Таким образом, неравномерность коэффициента усиления кремниевого усилителя EDFA в большей степени ограничивает размер волновой зоны для мультиплексных каналов СТМ-64 (1540-1560 нм), чем для каналов СТМ-16 и меньшей емкости, где можно использовать практически всю зону усиления кремниевого EDFA, несмотря на неравномерность характеристики усиления.

Сетка 50 ГГц. Более плотный план сетки с интервалом 50 ГГц позволяет эффективней использовать зону 1540-1560 нм, в которой работают стандартные кремниевые оптические усилители. Наряду с этим преимуществом у этой сетки есть и недостатки. Во-первых, с уменьшением межканальных интервалов возрастает влияние эффекта четырех волнового смешивания, что начинает ограничивать максимальную длину межрегенерационной линии. Во-вторых, малое межканальное расстояние 0,4 нм может приводить к ограничениям в возможности мультиплексирования каналов STM-64 (рис. 8.13). Как видно из рисунка, мультиплексирование каналов STM-64 с интервалом 50 ГГц не допустимо, поскольку возникает перекрытие спектров соседних волновых каналов. Перекрытие спектров не возникает только, если имеет место меньшая скорость передачи на канал (STM-16 и ниже). В-третьих, при интервале 50 ГГц требования к перестраиваемым лазерам, мультиплексорам и другим компонентам становятся более жесткими, что ведет к увеличению стоимости оборудования.

Табл. 1.2

Частота, ГГц	Интервал 100 ГГц 8 каналов и более	Интервал 200 ГГц 4 канала и более	Интервал 400 ГГц только 4 канала	Интервал 500/400 ГГц только 8 каналов	Интервал 600 ГГц только 4 канала	Интервал 1000 ГГц только 4 канала	Длина волны, нм
196,1	*	*					1528,77
196,0	*						1529,55
195,9	*	*					1530,33
195,8	*						1531,12
195,7	*	*					1531,90
195,6	*						1532,68
195,5	*	*			*	*	1533,47
195,4	*						1534,25
195,3	*	*		*			1535,04
195,2	*						1535,82
195,1	*	*					1536,61
195,0	*						1537,40
194,9	*	*			*		1538,19
194,8	*			*			1538,98
194,7	*	*					1539,77
194,6	*						1540,56
194,5	*	*				*	1541,35
194,4	*						1542,14
194,3	*	*		*	*		1542,94
194,2	*						1543,73
194,1	*	*					1544,53
194,0	*						1545,32
193,9	*	*	*	*			1546,12
193,8	*						1546,92
193,7	*	*	*		*		1547,72
193,6	*						1548,51
193,5	*	*	*			*	1549,32
193,4	*			*			1550,12
193,3	*	*	*				1550,92
193,2	*						1551,72
193,1	*	*	*		*		1552,52
193,0	*			*			1553,33
192,9	*	*	*				1554,13
192,8	*						1554,94
192,7	*	*	*				1555,75
192,6	*						1556,55
192,5	*	*	*	*	*	*	1557,36
192,4	*						1558,17
192,3	*	*	*				1558,98
192,2	*						1559,79
192,1	*	*		*			1560,61

СТМ-64 при интервале 100 ГГц СТМ-16 при интервале 100 ГГц

СТМ-64 при интервале 50 ГГц СТМ-16 при интервале 50 ГГц

Перекрытие

Рис. 1.33. Перекрытие спектров соседних волновых каналов.

В настоящее время ведется освоение надежных фтор-цирконатных усилителей EDFA, обеспечивающих большую равномерность во всей области 1530-1560 нм коэффициента усиления. С увеличением рабочей области усилителей EDFA становится возможным мультиплексирование 40 волновых каналов STM-64 с интервалом 100 ГГц общей емкостью 400 ГГц в расчете на пару волокон.

Соотношение между волновым и временным уплотнением

В настоящее время налажено промышленное производство мультиплексоров синхронной цифровой иерархии СЦИ со скоростями передачи агрегатных потоков 2,5 Гбит/с и 10 Гбит/с. Интересно сравнить два решения, реализующие общую пропускную способность 80 Гбит/с на основе волнового мультиплексирования соответственно 32 каналов СТМ-16 и 8 каналов СТМ-64.

При одном недостатке – невозможности дальнейшего наращивания – система 32 х СТМ-16 имеет ряд преимуществ перед системой 8 х СТМ-64:

• большая протяженность участка линии между регенераторами;

• более гибкие возможности по наращиванию и наличие разнообразных трибутарных интерфейсов (1,5/2/6/8/34/45/140 Мбит/с);

• большее разнообразие реализуемых архитектур SDH;

• проще движение к полностью оптическому уровню.

Рассмотрим их более подробно.

Протяженность линии определяется энергетическими и дисперсионными соотношениями.

Отношение сигнал/шум. В табл. 1.3 приведены основные параметры оптических спецификаций для сигналов STM-16 и STM-64. Как видно, система STM-64 предъявляет более высокие требования к отношению сигнал/шум, превышая на 5-10 дБ этот параметр для STM-16, что ведет к меньшему допустимому числу промежуточных усилителей EDFA между регенераторами STM-64.

Табл. 1.3

Параметры	STM-16 2,5 Гбит/с	STM-64 10 Гбит/с
Минимальное отношение сигнал/шум, дБ	18-21	27-31
Допустимая дисперсия в волокне, пс/нм	10 500	1 600
Ограничения из-за ПМД	нет	<400 км

Тип волокна	STM-16	STM-64
Стандартное одномодовое волокно SF, км	525	80
Одномодовое волокно с ненулевой смещенной дисперсией NZDSF, км	1909	291

Хроматическая дисперсия. СТМ-16 допускает значительно большую дисперсию сигнала в линии, чем СТМ-64, что дает выигрыш как в протяженности сегментов между двумя соседними оптическими усилителями, так и в общей протяженности участка линии между регенераторами. Ограничения на длину, возникающие из-за хроматической дисперсии, приведены в табл. 1.4 (для волокон SF и NZDSF взяты значения удельной дисперсии 20 и 5,5 пс/(нм.км), соответственно). Благодаря линейности хроматической дисперсии, используя вставки из волокон с компенсирующей дисперсией, можно добиться значительного увеличения указанных в таблице длин участков.

Табл. 1.4

Поляризационная модовая дисперсия. Проведем оценку влияния ПМД на передачу агрегатных потоков СТМ-16 и СТМ-64. В соответствии с общими требованиями ПМД не должна превышать 0,1 тактового интервала. Отсюда значение накопленной поляризационной модовой дисперсии не должно быть больше 40 пс и 10 пс для линий с СТМ-16 и СТМ-64 соответственно. Величина ПМД после прохождения светом длины L определяется по формуле где Т – удельная поляризационная модовая дисперсия. При для волокон NZDSF получаем для линий СТМ-16 и СТМ-64 предельные расстояния между регенераторами 6400 км и 400 км соответствено. Первое ограничение так велико, что дело до него не доходит. Заметим, что в отличие от хроматической дисперсии, поляризационная модовая дисперсия не компенсируется. Поэтому уменьшить этот параметр можно, только используя новые волокна с меньшим значением удельной поляризационной модовой дисперсии.

На рис. 1.34 приведен состав гипотетических линий для систем передачи 32 х СТМ-16 и 8 х СТМ-64., имеющих одну и туже полную длину 496 км. Как видно, в случае 32 х СТМ-16 связь между двумя мультиплексорами можно построить на основе только линейных оптических усилителей. В случае 8 х СТМ-64 требуется установить два промежуточных регенератора, кроме того, сокращается расстояние между соседними усилителями EDFA.

DWDM мультиплексор DWDM демультиплексор

СТМ-16

СТМ-16

СТМ-16

СТМ-16

Оптические усилители EDFA

СТМ-16

СТМ-16

а) линия с усилителями

СТМ-64

СТМ-64

СТМ-64

СТМ-64

СТМ-64

СТМ-64

СТМ-64

СТМ-64

СТМ-64

DWDM регенератор

б) линия с двумя регенераторами

Рис. 1.34. Сравнительный состав гипотетических линий.

Интерфейсы компонентных потоков. Мультиплексоры СТМ-64 разработаны главным образом для создания сверхскоростных протяженных магистралей и допускают подключение трибутарных потоков синхронной цифровой иерархии только двух видов – СТМ-4 и СТМ-16. При необходимости организации доступа к магистрали по менее скоростным компонентным потокам – СТМ-1 или через трибутарные интерфейсы плезиохронной иерархии (Е1, Е2, Е3 и т. д.), наряду с мультиплесором СТМ-64, потребуется использовать дополнительный сетевой элемент – мультиплексор СТМ-4 или СТМ-16. В то же время построение сети с DWDM мультиплексированием на базе мультиплексоров СТМ-16 позволяют осуществлять прямой доступ к сетевым элементам.

Реализуемая архитектура сети. Сетевые элементы СТМ-64 пока еще не настолько развиты, чтобы позволять создавать кольцевые структуры сети с возможностью резервирования SNCP или MS-SPRing для низкоскоростных компонентных потоков. Они расчитаны, в основном, на реализацию линейной топологии сети. В то же время именно возможность создания большого разнообразия кольцевых архитектур сети является одной из наиболее сильных сторон СТМ-16.

Движение к полностью оптической сети. Поскольку трудно предсказывать будущие потребности в сетях и в полосе пропускания, преимущество имеют те архитектуры, которые допускают более плавное наращивание своих ресурсов. Развертывание системы передачи 8 х СТМ-64 имеет большой шаг в 10 Гбит/с, в то время, как система 32 х СТМ-16 может наращиваться более плавно с шагом 2,5 Гбит/с. Кроме этого, сегментирование трафика в большее число волновых каналов и последующая их полностью оптическая кросс-коммутация, а также ввод/вывод является технологически более простым решением, чем электронное временное уплотнение потоков СТМ-16 в агрегатные потоки СТМ-64.