DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing) - Dense Wavelength Division Multiplexing .
Afstanden mellem bærere i DWDM-systemer kan være 25 - 200 GHz; i moderne netværk bruges oftest et 50 GHz kanalnet . Spektralbåndene C (1530..1565 nm), S (1460..1530 nm) og L (1565..1625 nm) bruges til transmission.
Kapaciteten af et DWDM-system beregnes ved formlen:
C = M · B , hvor M er antallet af spektralkanaler, B er transmissionshastigheden i hver kanal. Fordele ved DWDM:
I december 2012 lavede T8 [1] -specialister en rekordtransmission [2] på 1Tbit/s (10x100G) over en afstand på 500,4 km. Budgettet for en 1-kanals linje var 84 dB.
Netværksarkitektur er baseret på mange faktorer, herunder applikations- og protokoltyper, afstande, brugs- og adgangsmønstre og ældre netværkstopologier. På hovedstadsmarkedet kan for eksempel punkt-til-punkt-topologier bruges til at forbinde virksomhedslokationer, ringtopologier til at forbinde inter-kontorfaciliteter (IOF) og til boligadgang, og mesh-netværkstopologier kan bruges til at forbinde mellem POP'er og forbindes til en rygrad. Faktisk skal det optiske lag understøtte mange topologier, og på grund af uforudsigelige ændringer i dette område skal disse topologier være fleksible.
I dag er de vigtigste implementeringstopologier punkt-til-punkt og ring. Med punkt-til-punkt DWDM-links mellem store virksomhedswebsteder er det kun nødvendigt med en enhed hos kunden til at konvertere applikationstrafik til specifikke bølgelængder og multiplex. Bærere med en lineær ringtopologi kan udvikle sig til hele ringe baseret på OADM. Efterhånden som konfigurerbare optiske krydsforbindelser og switches bliver mere almindelige, vil disse punkt-til-punkt- og ringnetværk blive maskede, hvilket gør optiske metroer til fuldt fleksible platforme.
Punkt-til-punkt-topologier kan implementeres med eller uden OADM. Disse netværk er kendetegnet ved ultrahøj forbindelseshastighed (10 til 40 Gbps), høj signalintegritet og pålidelighed og hurtig gendannelse af sti. I langdistancenetværk kan afstanden mellem sender og modtager være flere hundrede kilometer, og antallet af forstærkere, der kræves mellem endepunkter, er typisk mindre end 10. I MAN er der ofte ikke behov for forstærkere.
Beskyttelse i punkt-til-punkt-topologier kan tilvejebringes på to måder. I første generations udstyr er redundans på systemniveau. Parallelle links forbinder redundante systemer i begge ender. Failover er klienthardwarens ansvar (såsom en switch eller router), mens DWDM-systemerne selv blot leverer kapacitet.
I anden generations udstyr er redundans på kortniveau. Parallelle kanaler forbinder enkeltsystemer i begge ender, som indeholder duplikerede transpondere, multipleksere og processorer. Her er beskyttelsen migreret til DWDM-udstyr, og switching-løsninger er under lokal kontrol. Én type implementering bruger for eksempel et 1+1-beskyttelsesskema baseret på SONET Automatic Protection Switching (APS).
Ringe er den mest almindelige arkitektur i storbyområder og strækker sig over adskillige snese af kilometer. En fiberring kan indeholde så få som fire bølgelængdekanaler og typisk færre noder end kanaler. Datahastigheder spænder fra 622 Mbps til 10 Gbps pr. kanal.
Ringkonfigurationer kan implementeres med et eller flere DWDM-systemer, der understøtter enhver-til-alle-trafik, eller de kan have en centralstation og en eller flere OADM-noder eller satellitter. I hub'en genereres, afsluttes og administreres trafik, og der etableres forbindelser til andre netværk. Ved OADM-knudepunkter fjernes og tilføjes udvalgte bølgelængder, mens resten passerer transparent (ekspreskanaler). Ringarkitekturer tillader således noder i ringen at give adgang til netværkselementer såsom routere, switches eller servere ved at tilføje eller fjerne bølgelængdekanaler i det optiske domæne. Men efterhånden som antallet af OADM'er stiger, vil signalet gå tabt, og forstærkning kan være påkrævet.
Kandidatnetværk til DWDM-applikationer i byområder er ofte allerede baseret på SONET-ringstrukturer med 1+1 fiberbeskyttelse.Sådan kan ordninger som unidirectional path switched ring (UPSR) eller bidirectional line switched ring (BLSR) genbruges til DWDM implementering.
I en to-fiber UPSR-ordning transmitterer hubben og noderne signalet på to modsat roterende ringe, men den samme fiber bruges typisk af alt udstyr til at modtage signalet; deraf navnet ensrettet. Hvis arbejdsringen svigter, skifter modtageudstyret til et andet par.
Selvom dette giver fuld vejredundans, er genbrug af båndbredde ikke muligt, fordi den redundante fiber altid skal være tilgængelig til at transportere trafik. Denne ordning bruges mest i adgangsnetværk.
Andre ordninger, såsom Bi-Directional Switched Ring (BLSR), tillader trafik at rejse fra den afsendende node til den modtagende node langs den mest direkte rute. På grund af dette betragtes BLSR som det foretrukne valg for SONET-kernenetværk, især når det implementeres med fire fibre for at give fuld redundans.
Mesh-arkitekturer er fremtiden for optiske netværk. Efterhånden som netværk udvikler sig, vil ring- og punkt-til-punkt-arkitekturer stadig have en plads, men nettet lover at være den mest robuste topologi. Denne udvikling vil blive lettet af introduktionen af konfigurerbare optiske krydsforbindelser og switches, som i nogle tilfælde vil erstatte og i andre tilfælde supplere faste DWDM-enheder.
Fra et designsynspunkt er der en yndefuld evolutionær vej fra punkt-til-punkt-topologi til mesh-topologi. Ved at starte med punkt-til-punkt-links udstyret fra starten med OADM-noder for fleksibilitet, og derefter forbinde dem, kan netværket blive et mesh uden en fuldstændig genopbygning. Derudover kan mesh- og ringtopologier forbindes med punkt-til-punkt forbindelser.
DWDM mesh-netværk, der består af indbyrdes forbundne optiske noder, vil kræve næste generations beskyttelse. Hvor tidligere beskyttelsesordninger var baseret på redundans på system-, kort- eller fiberniveau, vil redundans nu flytte til bølgelængdeniveauet. Det betyder blandt andet, at dataforbindelsen kan ændre bølgelængder, når den bevæger sig gennem netværket på grund af routing eller bølgelængdeskift på grund af en fejl. Situationen ligner situationen med en virtuel kanal gennem ATM -skyen , som kan opleve ændringer i værdierne af den virtuelle sti-identifikator (VPI) ( eng. VPI - Virtual Path Identifier)/virtuel kanal-id (VCI) ( eng. VCI - Virtual Channel Identifier) ved skiftepunkter. I optiske netværk omtales dette koncept undertiden som lysvejen .
Derfor vil mesh-netværk kræve et højt niveau af intelligens for at udføre beskyttelses- og båndbreddestyringsfunktionerne, herunder fiberoptik og bølgelængdeskift. Fordelene i fleksibilitet og effektivitet er dog potentielt store. Fiberudnyttelsen, som kan være lav i ringløsninger på grund af behovet for sikkerhedsfibre på hver ring, kan forbedres i et mesh-design. Beskyttelse og genopretning kan være baseret på fælles veje, der kræver færre fiberpar for den samme mængde trafik og ikke spilder ubrugte bølgelængder.
Endelig vil mesh-netværk i høj grad stole på administrationssoftware. En protokol baseret på Multiprotocol Label Switching (MPLS) er under udvikling til at understøtte ruter over et helt optisk netværk. Derudover vil netværksstyring kræve en endnu ikke-standardiseret kanal til at sende beskeder mellem netværkselementer.
Før vi overvejer metoder til at forbedre ydeevnen af et DWDM-system og opgradere optiske transportnetværk generelt, vil vi overveje flere årsager til fejl i modtagelse. Modtagerstøj (eller pulser) reducerer dæmpning og forstyrrer deres perception.ASE (Amplified Spontaneous Emission) støj akkumuleres, når gruppesignalet passerer gennem optiske forstærkere.
På ujævne linjer er spredning, støj og overbelastning af modtageren typisk hovedårsagerne til fejl. Introduktionen af optiske forstærkere ændrer karakteren af problemet fra grundlæggende til konstruktion: før signalet sendes til modtageren, forstærkes det til det optimale niveau (langt fra grænserne for følsomhed og genopladning). For at kompensere for spredningen er linjen udstyret med specielle enheder - kompensatorer, der genopretter pulsvarigheden, før signalet påføres indgangen på den modtagende del af transponderen.
Prisen for at overvinde de to første årsager til fejl er introduktionen af ASE-støj og ikke-lineær forvrængning. Sidstnævnte er resultatet af linjens forskellige tilstand i nærvær af amplifikation. Nu er der flere (nogle gange flere dusin) forstærkersektioner i regenereringssektionen, og i begyndelsen af hver af dem, hvor intensiteten af det optiske signal er tilstrækkelig høj, lider signalet af ikke-lineære effekter.
Af økonomiske årsager fører ønsket om at bruge forstærkerspektret mere effektivt og at minimere antallet af forstærkere i en linje til fremkomsten af tæt anbragte højeffektkanaler i spektret. Dette fører til udviklingen af intra- og interkanal ikke-lineære effekter.
Transpondere og aggregerende transpondere designet til drift i netværk, der ikke indeholder optiske forstærkere (normalt CWDM) er optimeret til følsomhed og spredningsmodstand. Dette er ikke relevant for DWDM-løsninger - det kræver kanaliseringsudstyr, der er kompatibelt med ASE-støj og signalharmoniske.
Tilladte grænseparametre for det optiske inputsignal er de værdier, der giver den nødvendige fejlfaktor med de resterende parametre optimale.
Antallet af fejl i en bitstrøm er karakteriseret ved en BER-værdi (bitfejlrate) svarende til forholdet mellem fejlbit og det samlede antal transmitterede bits. Kommunikationssystemkunden angiver den maksimalt tilladte BER, som typisk er i området 10-10...-12.
For CWDM-udstyr er modtagerfølsomhed og spredningsmargener defineret på samme måde: følsomhed er den mindst tilladte effektværdi på modtagersiden, hvor et uforvrænget optisk signal modtages med en given fejlværdi. For DWDM-udstyr er hovedkarakteristikken ASE-støjimmunitet. ASE-støjværdien bestemmer OSNR-parameteren (optisk signal til støjforhold), og hver DWDM-transponder/aggregeringstransponder er beskrevet med den påkrævede værdi. Den påkrævede OSNR er den mindst tilladte OSNR, så signalmodtagelse er mulig inden for den påkrævede BER.
Vi definerer begrebet "systemydelse" som produktet af kommunikationssystemets kapacitet C fuld og transmissionsafstanden L. Afstandsrækkevidden for retursystemet er den samlede transmissionsdistance over en flerlinjeforbindelse med 14 mellemforstærkere uden signal regenerering. Det er klart, at et DWDM-systems ydeevne kan udvides på to måder: for at øge kommunikationssystemets båndbredde og for at opnå en forøgelse af transmissionsafstanden.
Den samlede gennemstrømning af et system med sådanne kanaler bestemmes af produktet af antallet af kanaler og kanalgennemstrømningen. Sidstnævnte bestemmes af to faktorer: symbolhastighed og symboleffektivitet.
Datahastigheden for et kommunikationssystem (total baudrate V, bps = baud) består af datahastighederne i hver kanal (for et system med de samme kanaler er det produktet af antallet af NCH-kanaler og VB-hastigheden [bps) ] i hver kanal). Det maksimale antal kanaler i et enkelt fiberpar er indstillet af den aktuelle divisionsmultipleksingsstandard (f.eks. CWDM , DWDM 100 GHz C, DWDM 50 GHz C+L). Bithastigheden af en VB-kanal er produktet af symbolhastigheden VS (symboler pr. sekund) og symbolhastighedseffektiviteten af det anvendte modulationsformat ES (bit/symbol). Med andre ord bestemmer ES-parameteren mængden af information (databit), der transmitteres i ét tegn. Det udtrykkes som basis 2-logaritmen af algoritmens styrke (antallet af værdier et symbol kan tage).
1) Stigende symbolhastighedEn stigning i symbolhastigheden VS tilvejebringes af en stigning i frekvensen af sendermodulatoren. Grænseværdierne for den symbolske hastighed af et elektrisk signal bestemmes af materialets egenskaber, højfrekvent elektronik og modulatorer. Med hensyn til implementering er den tilgængelige værdi omkring 32 GB på en standardelementbase. Dette opnås for første gang i 100G-systemer. 45 Gbaud bruges i de fleste moderne 2×200G-processorer. Værdier på 64 Gbaud er under laboratorietestning. Da komponentbasen konstant forbedres, er en yderligere lille stigning i denne parameter mulig, men betydelige spring i denne retning bør ikke forventes.
2) Modulationsformater på flere niveauerHistorisk set dukkede de første amplitudemodulationsformater for optisk stråling op i NRZ (Non-Return-to-Zero) og RZ (Return-to-Zero) modifikationerne, hvor RZ-koden er mere modstandsdygtig over for ikke-lineære effekter i fiberen. De leverede dataoverførselshastigheder på op til 10 Gbps. Brugen af amplitudemodulation har været vanskelig ved hastigheder over 40 Gbit/s, da bredden af det optiske spektrum er blevet sammenlignelig med kanalrummet i et DWDM-system. Ud over ustabiliteten af amplitudemodulerede signaler til ikke-lineære forvrængninger, fører dette til brugen af fasemodulationsformater, hvor information koder for fasen af det optiske signal eller faseforskellen af tilstødende symboler (på grund af faseusikkerheden af det indkommende signal). symbol, er differentialkodning ofte obligatorisk).
Moderne løsninger bruger samtidig alle frihedsgrader af signalet: amplitude, fase og polarisering af lysstråling. I dag er det mest almindelige modulationsformat for 100 Gigabit-systemer DP-QPSK (Shift-Double Quadrature Keying), hvor information er kodet i to polarisationstilstande og fire faseværdier.
Derfor genereres QPSK - signaler i hver af polarisationerne, som kombineres med en polarisationsdeler for at danne en DP-QPSK-struktur. Hvert symbol i DP-QPSK-formatet bærer 4 informationsbit (2 bit pr. symbol i hver af polarisationerne). Overgangen til 200G og 400G vil også medføre en ændring af lysets amplitude. De respektive modulationsformater DP-16QAM og DP-64QAM øger i høj grad den spektrale effektivitet, hvilket muliggør højere datahastigheder i det konventionelle 50 GHz-bånd.
I moderne DWDM-løsninger med et tæt arrangement af optiske kanaler er der ingen frie inter-kanal-intervaller, så den eneste måde at øge den spektrale effektivitet på er at øge den samlede datahastighed i systemet uden at udvide det anvendelige spektrale område. Dette er en af hovedårsagerne til overgangen fra amplitude til et mere komplekst fasekohærent modulationsformat. Gebyret for en sådan gevinst er en reduktion i transmissionsområdet.
3) Forøgelse af antallet af transportørerEn stigning i antallet af kanaler kan føre til udviklingen af nye spektralområder begrænset af den begrænsede effektive båndbredde af optiske forstærkere.
En anden retning er at reducere kanalrummet i det konventionelle optiske område. Dette kræver en overgang til en ny bølgelængdedelingsmultipleksingsstandard og kan føre til øget inter-kanal interferens.
Den anden måde at forbedre ydeevnen af et DWDM-system på er at øge afstanden. Det afhænger af mange faktorer: modstanden af den valgte transponder over for ASE-støj og ikke-lineær forvrængning, parametrene for forstærkere og fibre, kanalgitteret osv. Modtagerens følsomhedstærskel (dB) bestemmer også transmissionsområdet. OSNRr (Optical Signal to Noise Ratio Required) er forholdet mellem signal- og støjniveauer, når et indkommende signal stadig kan detekteres. Operatører står ofte over for udfordringen med at øge transmissionshastighederne og samtidig bevare rækkevidden. En sådan opdatering kan ske ved at erstatte transpondere med mere avancerede, samtidig med at den påkrævede OSNR bibeholdes.
1) Sammenhængende modtagelseFor at spare rækkevidde bruges en kombination af spektralt effektive modulationsformater og sammenhængende modtagelse. Opgaven med kohærent detektion er at blande det indkommende informationssignal med strålingen fra en referencelaser. Spektrumkonverteringen udføres på en sådan måde, at fotodetektoren indeholder fuldstændig information om det originale optiske signal.
Ved hjælp af polarisationssplittere opdeles informationssignalet og referencelasermodtageren i to ortogonale komponenter. En 90 graders optisk mixer er påkrævet for at blande signalets polarisationskomponenter med X- og Y-komponenterne i den modtagende laser.
Frekvensen af referencelaseren kan frit skiftes inden for et område på ±20 MHz i forhold til den transmitterende lasers bærefrekvens. I moderne sammenhængende løsninger overstiger bredden af laserstråling ikke 100 GHz. Fire par signaler fra symmetriske fotodetektorer, som øger modtagefølsomheden, er forbundet til indgangene på analog-til-digital-omformere. Der dannes således fire symbolstrømme.
Selvom principperne for sammenhængende modtagelse har været kendt i lang tid, har deres anvendelse i det optiske område været vanskelig. Dette skyldtes kompleksiteten og høje omkostninger ved meget stabile smalbåndslasere med behovet for at synkronisere fasen og frekvensen af det modtagne signal og den lokale oscillatorstråling. Fremkomsten af kraftfulde digitale signalbehandlingsteknologier har løst problemet med fasesynkronisering. I DSP -blokken (Digital Signal Processing) er en af algoritmerne således faseforskelskorrelation ved brug af bærebølgegendannelse. Dette eliminerer behovet for hardwarefrekvens og frekvenssynkronisering. kilder.
2) Digital signalbehandlingFejlfri kodning. I dag er DSP en integreret del af den sammenhængende transponder. Fire digitale streams fra ADC-udgangene kommer ind i DSP-blokken, hvor der med den nævnte synkronisering og fasediversering implementeres andre kompensationsalgoritmer, som er nødvendige for fejlfri signalgendannelse. Processorens første funktionelle blok udelukker unøjagtigheder i inputgrænsefladen - en tidsuoverensstemmelse mellem de fire komponenter på grund af uligheden mellem de optiske og elektriske veje af den kohærente modtager, uligheden i deres amplituder. Den asynkrone samplingshastighed konverteres derefter til en hastighed på 2 samples pr. symbol. DSP giver kumulativ kromatisk spredningskompensation, hvilket eliminerer behovet for en fysisk linjetabskompensator.
For at opnå et klart fasediagram er det også nødvendigt at minimere amplitudens afvigelse fra en given gennemsnitsværdi.
Rotation af diagrammer i faseplanet er udelukket. Den samlede fasestøj, inklusive dens ikke-lineære komponent, estimeres og kompenseres. Efter afslutning af alle stadier af behandlingen bestemmes værdierne af gyldige tegn. Det sidste trin er FEC fejlkorrektionsproceduren . Brugen af redundant kodning i den digitale behandling af et multilevel-signal kan give en forstærkning i den nødvendige OSNR op til 9 dB. FEC-headeren føjes til nyttelasten i hver transponder, hvis størrelse bestemmes af kodetypen.
DWDM er stadig en ny teknologi, og den mangler at blive studeret og studeret. Den blev først indsat på langdistanceruter. Og nu er DWDM-teknologien klar til langdistanceoperatører. Når du bruger en punkt-til-punkt- eller ringtopologi, øges gennemløbet betydeligt uden at installere yderligere fiber. DWDM vil fortsat levere gennemløb for store mængder data. Faktisk vil systemernes kraft stige, efterhånden som teknologien udvikler sig, der giver mulighed for tættere afstande og derfor flere bølgelængder. Men DWDM bevæger sig også ud over transport og bliver rygraden i alle-optiske netværk i storbyområder. Fremtiden for DWDM med bølgelængdeforsyning og mesh-baseret sikkerhed. Skift ved det fotoniske lag vil tillade denne udvikling, ligesom routingprotokoller, der tillader lysveje at krydse netværket på nogenlunde samme måde, som virtuelle kredsløb gør i dag. Disse og andre fremskridt konvergerer, så en helt optisk infrastruktur kan forestilles.