Материал: Строительство сети данных

·        Несоответствие характеристик полосы пропускания системы заданному в ТЗ значению.

·        Потребность в дополнительном оптико-электрическом оборудовании на промежуточных узлах связи.

Отметим также положительные аспекты данной модели:

·        Совпадение физической и логической топологии сети.

·        Низкая стоимость на короткой дистанции.

·        Техническая простота реализации решения.

Более сложными, однако от этого не менее интересными, выглядят различные системы уплотнения каналов связи. Строго говоря, в описанной выше реализации также имеет место простое уплотнение по длине волны, которое прочно вошло в жизнь операторов связи. Суть любого уплотнения состоит в том, что в единицу времени передается не один сигнал (поток данных), а несколько. Для реализации WDM [Wave Division Multiplexing] передача ведется на длине волны 1310нм, прием на частоте 1550нм, таким образом в одном волокне возможен и приём, и передача данных, т.е. дуплексная передача. Также возможно уплотнение не только по длине волны, но и по времени, т.н. TDM [Time Division Multiplexing], однако он в последнее десятилетие почти полностью уступил место системам WDM. Произошло это из-за постепенного приближения к пределу битовой скорости, а также открытии различных оптических эффектов, которые легли в основу новой концепции уплотнения каналов в оптическом волокне.

Суть уплотнения по длине волны состоит в том, что в рамках одного оптического сигнала может передаваться несколько длин волн, обозначая отдельный, независимый поток данных отдельного оптического канала. При этом такого рода уплотнение может быть грубым, в таком случае оно будет называться CWDM [Coarse Wave Division Multiplexing]. Его отличительные особенности - работа в большом диапазоне частот, но плотность уплотнения достаточно мала. В текущем технологическом процессе возможно получить до 32 различных частот в одном волокне, применяя технологию CWDM. Второй вариант уплотнения, т.н. частое уплотнение DWDM, позволяет получить до 128 отдельных частот в C-band диапазоне оптического волокна.

Реализация физической среды передачи данных на основе DWDM выглядит намного перспективнее с точки зрения возможности дальнейшего долгосрочного развития и масштабирования. При этом организация сети с использованием CWDM сократит затраты на оптические волокна в 8 раз, а DWDM уже в 96 раз. Это объясняется тем, что в случае использования DWDM-уплотнения частот, в рамках одного оптического волокна возможна передача 96 потоков в 40Гбит/с, или 3.8Тбит/с.

Оптические системы с использованием уплотнения имеют также неоспоримое преимущество перед ВОЛС-системами без уплотнения, а также перед беспроводными СПД, заключающееся в огромном значении максимально возможной длины пролёта, которое может преодолеть сигнал без использования активного сетевого или регенерационного оборудования. Данный параметр зависит от выбранного производителя оборудования, реализации и топологии, однако на текущий момент передача данных по волокну возможна на линиях до 2000 км без регенерации сигнала. Подобный аспект важен для проектируемой сети по причине того, что строительство сети ведется не в рамках офиса или района, а в рамках федерального округа, а значит расстояние между датацентрами и узлами связи будет весьма значительным.

К отрицательным сторонам любого уплотнения стоит отнести прежде всего стоимость и техническую сложность реализации. Причем чем экономичнее, с точки зрения частот, будет система, чем она более прозрачна и управляема пользователем, тем более дорогой она будет. Поэтому многие предприятия проводят закупку готового решения от лидеров данной области, не разбивая его на отдельные компоненты: усилители, аттенюаторы, лазеры.

Также необходимо отметить тот факт, что, если без использования усиления мы работаем с сигналом в двух направлениях: мощности и времени, т.е. по факту работаем с плоским сигналом. При увеличении мощности возможны негативные факторы, которые сказываются на мощности лазера, потерях, а также затухании оптического сигнала в волокне. При изменении времени на передачу мы сталкиваемся с нестабильностью сигнала, понижением скорости передачи, поляризационной модовой дисперсией. Кроме того, при векторном сложении данных процессов получаем нестабильность битовой скорости передачи, различные нелинейные эффекты в волокне, высокую относительную интенсивность шума. Подобную зависимость легко показать на схеме (см. Рисунок 3).

Рисунок 3. Процессы при двумерной передаче сигнала

При работе с мультиплексированием возникает намного больше явлений и зависимостей, которые необходимо разрешить при проектировании системы. Действительно, зависимость приобретает трехмерный вид (см. Рисунок 4)

Рисунок 4. Процессы в волокне при трехмерной передаче сигнала

Влияние длины волны совместно с мощностью увеличивает возможность возникновения усиленного спонтанного излучения, а также рамановского рассеяния; чирпирование лазера, хроматическая дисперсия и другие вредные, с точки зрения передачи сигнала, физические явления, требуют тщательного планирования и подбора системы на этапе разработки.

Для формализации критериев выбора представим отрицательные и положительные стороны, а также требующие внимания нюансы каждого решения в таблице 2.

Таблица 2 - Сравнение вариантов уплотнения волокна

Основными критериями (по весу, влияющему на принятие решения) при выборе системы стали возможность масштабируемости и низкая оценочная стоимость порта 10GigabitEthernet. В связи с этим, технология DWDM была взята за основу при построении физического уровня сети передачи данных для Крымского полуострова.

3.  Основные параметры DWDM-систем

3.1    Технологические принципы работы DWDM

В современных системах передачи данных оптическая связь играет ключевую роль. Однако в реалиях современных скоростей, передача в один поток данных не может рассматриваться в качестве допустимого варианта для магистральных провайдеров. Различные варианты уплотнения позволили использовать более чем одну несущую частоту при передаче сигнала. Основной рывок в развитии частого уплотнения произошел с открытием и промышленным применением т.н. EDFA-усилителей [Erbium Doped Fiber Amplifier] - классе усилителей на оптическом волокне, легированном ионами эрбия.

Первоначальное уплотнение использовало две основные частоты, на которых в пределах одного волокна выполнялась приём и передача. При этом сигналы не пересекались, что привело к возможности использовать среду передачи данных более экономно (см. Рисунок 5).

Рисунок 5. Уплотнение WDM

Стоит сказать, что характеристики оптического волокна неодинаковы на всех частотах, которые способны передаваться по волокну. Максимальная и минимальная частота, на которой может работать оптическое волокно называется частотой отсечки (верхней и нижней соответственно). На частотах в диапазоне от верхней до нижней частоты отсечки уровень затухания оптического сигнала отличается нелинейно в зависимости от длины частоты, на которой ведется передача данных. Кроме того, характеристики разных оптических волокон влияют на физические параметры передаваемых сигналов. Комитетом ITU [International Telecommunication Union] были приняты несколько стандартов на оптические волокна, которые различны по своим характеристикам и условиям применения.

С развитием полупроводниковой оптики, стало возможным использовать в пределах рабочей частоты волокна передавать данные на различных частотах с шагом в 20нм. Технологически для этого применялась призма, которая способна выделять нужную частоту и выдать её в нужный оптический порт. Обычно работа такой системы ведется в диапазоне 1290нм - 1610нм, т.е. позволяя в полнодуплексном режиме использовать до 8 каналов. Поскольку, как было упомянуто ранее, характеристики волокна различны в зависимости от передаваемой частоты, главным недостатком была невозможность качественного усиления сигнала по всем частотам. Взглянем на зависимость величины затухания от передаваемой частоты стандартного волокна (см. Рисунок 6).

Рисунок 6. Нелинейность затухания стандартных оптических волокон на различных частотах

Источник: журнал "Алгоритм Безопасности" №4 2005 года, авторы М. Ефимов, В. Никитин.

Наиболее часто используется волокно ITU G.652, которое имеет так называемый водяной пик, т.е. резкое, скачкообразное увеличение затухания на определённой длине волны.

В конце XX века ученым удалось использовать процесс излучения легированного полупроводника с инверсной населённостью применительно к оптическим средствам передачи данных. Для этого в рабочем диапазоне эрбия применяют источник света, который работает на длине волны 980нм, и производят т.н. накачку легированного волокна таким образом, чтобы фотон усиливаемого сигнала и излученный фотон были когерентны. То есть в процессе работы, вместо одного полезного фотона получается два фотона с одинаковыми характеристиками. Из-за свойств эрбия, частота работы такой системы - 1530-1560нм. Именно в этом диапазоне и стали развиваться системы частого уплотнения или DWDM. Для них характерно значительно менее широкие расстояния между длинами волн, чем для технологии CWDM - 100ГГц или 0,8нм, а также 50Ггц на канал. В таком диапазоне, благодаря EDFA-усилителям, стало возможно передавать до 64 полудуплексных каналов. Само усиление производится без дополнительных АЦП-ЦАП преобразований, исключительно с использованием оптического волокна. Ведь одной из проблем CWDM систем, была проблема усиления сигнала без подключения активного оборудования на промежуточных узлах. Оптический сигнал или группа сигналов, проходящих по оптическому кабелю затухала почти полностью уже через 100км, делая невозможным передачу данных на большие расстояния. Поэтому на каждом участке пути сигнала ставилось оборудование, которое преобразовывало данные из оптического аналогового сигнала в цифровой сигнал и обратно. В DWDM же стало возможно передавать группу сигналов на большие (до 4000км) расстояния практически без потерь.

Разумеется, помимо очевидных плюсов у технологии существуют некоторые негативные стороны. Перечислим основные факторы, которые влияют на качество работы DWDM-систем.

·        Разные длины волн распространяются в кабеле неравномерно. Это практически незаметно для расстояний, скажем, в 100 километров, на на расстоянии в 1000км возможно уширение полезного спектра сигнала до такой степени, что приёмное оборудование не сможет выделить нужный импульс. Это явление носит название материальной дисперсии.

·        Физические характеристики кабеля, а именно несимметричность и его неидеальная геометрия, добавляют поляризационно-модовую дисперсию, которая проявляется в неравномерном распространении импульса с геометрической точки зрения.

·        Два описанных выше явления в совокупности получили название хроматической дисперсии и являются основной причиной возникновения сложностей при установке и настройке DWDM-систем.

·        Не стоит забывать о нелинейных эффектах в оптическом волокне. Они проявляются с ростом мощности передатчика, ограничивая его максимальное значение. Т.е. невозможно использовать передатчик бесконечно большой мощности в целях уменьшения затухания и получения требуемого уровня сигнала на приёмной стороне.

При разработке DWDM вводится понятие частотного плана. Частотным планом называют сетку частотных каналов, на которых ведется приём/передача данных DWDM. Сетка каналов определяет центральную частоту, которые используются для DWDM-приложений. Стандартом ITU G.694.1 рассматриваются частоты с шагом 12.5 ГГц, 25 ГГц, 50ГГц, 100ГГц. Данный шаг влияет на степень мультиплексирования, очевидно, чем больше шаг, тем больше частотных подканалов возможно использовать в рамках одной оптической системы. Частотная сетка стандарта ITU-T G.694.1 приведена в приложении к пояснительной записке в Приложении А.

Первоначально топологии в которых использовалась технология DWDM ограничивались каналом точка-точка, предполагая, что основным направлением роста будет наращивание пропускной способности существующих каналов. Однако логическим продолжением стандартных систем стали т.н. ADM [Add/Drop-Multiplexers], представляющие собой мультиплексоры ввода/вывода. Подобные мультиплексоры позволяют вывести из одного (или нескольких, в зависимости от реализации) оптического волокна некоторую частоту , ввести в волокно частоту , при этом остальные частоты оставить без изменения. Физически данный процесс реализован с помощью тонкостенных фильтров и системы зеркал, которые в совокупности перенаправляют оптический сигнал требуемой частоты в отдельный оптический порт, пропуская без изменений все остальные длины волн. Подобные устройства смогли позволить делать ответвления на протяжении оптического волокна в некоторые тупиковые зоны.

3.2    Применяемое оборудование в системах DWDM

Следующим востребованным элементом стали реконфигурируемые мультиплексоры ввода-вывода или ROADM [Reconfigurable Optical Add/Drop Multiplexer]. Их безусловным достоинством стала возможность запрограммировать выводимую/вводимую длину волны и при этом не заниматься перепроектированием сети с нуля. Система позволяет наращивать каналы по мере роста числа абонентов, которым требуется данный канал. Схема организации каналов без использования ROADM представлена на рисунке (см. Рисунок 7).

Рисунок 7. Схема мультиплексирования сигналов оптического волокна

При использовании данной реализации имеется возможность соединить только два узла несколькими каналами. Часто бывает необходимо вывести частоту на промежуточном участке, скажем предоставить сервис для некоторого населённого пункта или бизнес центра. При традиционной реализации DWDM не будет возможности сделать это без покупки дополнительных волокон и перестроения (а порой и построения) волоконно-оптической сети определённым образом. Ниже представлена схема решения подобной проблемы с помощью ROADM мультиплексоров (см. Рисунок 8).

Рисунок 8. Уплотнение оптического волокна с использованием ROADM