Тема 7

Мережі DWDM

7.1 Принцип роботи. Волоконно-оптичні підсилювачі мереж DWDM

 

Технологія ущільненого хвильового мультиплексування (Dense Wave Division Multiplexing, DWDM) призначена для створення оптичних магістралей нового покоління, що працюють на мультигігабітних і терабітних швидкостях.

Сьогодні обладнання DWDM дозволяє передавати по одному оптичному волокну 160 хвиль різної довжини в вікні прозорості 1550 нм, при цьому кожна хвиля являє собою окремий спектральний канал і може передавати власну інформацію зі швидкістю до 100 Гбіт/с. Швидкість передачі залежить від технології дискретного кодування даних на кожній хвилі, наприклад, це може бути кодування технологій SDH або OTN. Зараз ведуться роботи по підвищенню швидкості передачі до 200 Гбіт/с і вище.

Мережі DWDM працюють за принципом комутації каналів. Апаратура DWDM не займається безпосередньо проблемами передачі даних на кожній хвилі – це проблема більше високорівневої технології, яка використовує надану їй хвилю на свій розсуд і може передавати на цій хвилі як дискретну, так і аналогову інформацію. Основними функціями апаратури DWDM є операції мультиплексування і демультиплексування, а саме – об’єднання різних хвиль в одному світловому пучку і виділення інформації кожного спектрального каналу із загального сигналу. Деякі пристрої DWDM можуть також комутувати хвилі.

Технології DWDM передувала технологія хвильового мультиплексування (WDM), в якій використовується до 8 спектральних каналів в вікнах прозорості 1310 нм і 1550 нм з розносом несучих в 20 нм. Ця технологія також називається технологією грубого хвильового мультиплексування (Coarse Wave Division Multiplexing, CWDM), через те, що хвилі знаходяться на великій відстані одна від одної, а значить, і сигнал окремої хвилі легше виділити із загального світлового сигналу.

Мультиплексування DWDM називається «ущільненим» через те, що відстань між довжинами хвиль в ньому суттєво менша, ніж в WDM. На сьогодні рекомендацією G.692 сектора ITU-T визначено чотири частотних плани (тобто набору частот, віддалених один від одного на деяку постійну величину) з кроком (тобто рознесенням частот між сусідніми каналами) в 100, 50, 25 і 12,5 ГГц.

Технології з рознесенням частот між сусідніми каналами в 50 ГГц і нижче називаються технологіями з високо щільним хвильовим мультиплексуванням (High Dense WDM – HDWDM), вони дають змогу мультиплексувати не менше 64 каналів. Волоконно-оптичні підсилювачі мереж DWDM

Практичний успіх технології DWDM, обладнання якої вже працює на магістралях багатьох провідних світових операторів зв’язку, багато в чому визначило появу волоконно-оптичних підсилювачів. Ці оптичні пристрої безпосередньо посилюють світлові сигнали в діапазоні 1550 нм, виключаючи необхідність проміжного перетворення їх в електричну форму, як це роблять регенератори, що застосовуються в мережах SDH. Системи електричної регенерації сигналів досить дорогі і, крім того, залежать від протоколу, так як вони повинні сприймати певний вид кодування сигналу. Оптичні підсилювачі, «прозоро» передають інформацію, дозволяють нарощувати швидкість магістралі без необхідності модернізації підсилювальних блоків.

Протяжність ділянки між оптичними підсилювачами може досягати 150 км і більше, що забезпечує економічність створюваних магістралей DWDM, в яких довжина мультиплексної секції становить на сьогодні 600…3000 км при застосуванні від 1 до 7 проміжних оптичних підсилювачів.

Хоча оптичний підсилювач відновлює потужність сигналу, він не повністю компенсує ефект хроматичної дисперсії (тобто поширення хвиль різної довжини з різною швидкістю, через що сигнал на приймальному кінці волокна «розмазується»), а також інші нелінійні ефекти. Тому для побудови більш протяжних магістралей необхідно між підсилювальними ділянками встановлювати мультиплексори DWDM, що виконують регенерацію сигналу шляхом його перетворення в електричну форму і назад. Для зменшення нелінійних ефектів в системах DWDM застосовується також обмеження потужності сигналу.

Оптичні підсилювачі використовуються не тільки для збільшення відстані між мультиплексорами, але і встановлюються усередині самих мультиплексорів. Якщо мультиплексування і крос-комутація виконуються суто оптичних засобами без перетворення в електричну форму, то сигнал при пасивних оптичних перетвореннях втрачає потужність і перед передачею в лінію його потрібно посилювати.

 

7.2 Топології мереж DWDM

 

Хронологічно першою областю застосування технології DWDM (як і технології SDH) стало створення наддалеких високошвидкісних магістралей, що мають топологію «точка-точка». Для організації такої магістралі досить в її кінцевих точках встановити термінальні мультиплексори DWDM, а в проміжних точках – оптичні підсилювачі, якщо цього вимагає відстань між кінцевими точками (рис. 36).

 

 

Рисунок 36 – Наддовгий зв’язок «точка-точка» на основі ТМ DWDM

 

Термінальний мультиплексор включає блок мультиплексування / демультиплексування, вихідний (Booster, B) і попередній (Pre-amplifier, Р) підсилювачі, а також набір транспондерів (transmitter-responder, Transponder, Т), які перетворюють вхідні електричні сигнали, що містять дискретну інформацію, яка поступає від абонентських пристроїв користувачів мережі DWDM, в оптичні сигнали певної довжини хвилі і навпаки.

У наведеній на рисунку схемі дуплексний режим між абонентами мережі відбувається за рахунок однонаправленої передачі всього набору хвиль по двох волокнах. Існує й інший варіант роботи мережі DWDM, коли для зв’язку вузлів мережі використовується одне волокно.

Дуплексний режим досягається шляхом двонаправленої передачі оптичних сигналів по одному волокну – половина хвиль частотного плану передають інформацію в одному напрямку, половина – в зворотному.

Розвитком топології «точка-точка» є топологія ланцюга з проміжними під’єднаннями, в якій проміжні вузли виконують функції оптичних мультиплексорів вводу-виводу (рис. 37).

 

 

Рисунок 37 – Ланцюг DWDM з вводом-виводом в проміжних вузлах

 

Оптичні мультиплексори вводу-виводу (Optical Add-Drop Multiplexer, OADM) можуть вивести із загального оптичного сигналу хвилю певної довжини і ввести туди сигнал цієї ж довжини хвилі, так що спектр транзитного сигналу не зміниться, а з’єднання буде виконано з одним із абонентів, під’єднаних до проміжного мультиплексору. OADM підтримує операції вводу-виводу хвиль суто оптичними засобами або з проміжним перетворенням в електричну форму. Кільцева топологія (рис. 38) забезпечує живучість мережі DWDM за рахунок резервних шляхів. Методи захисту трафіку, що застосовуються в DWDM, аналогічні методам в SDH (хоча в DWDM вони поки не стандартизовані). Для того, щоб будь-яке з’єднання було захищене, між його кінцевими точками встановлюються два шляхи: основний і резервний.

Мультиплексор кінцевої точки порівнює два сигнали і вибирає сигнал кращої якості (або сигнал, заданий по замовчуванню).

У міру розвитку мереж DWDM в них все частіше буде застосовуватися комірчаста топологія (рис. 7.4), яка забезпечує найкращі показники в плані гнучкості, продуктивності та відмовостійкості, ніж інші топології. Однак для реалізації комірчаста топології необхідна наявність оптичних крос-конекторів (Optical Cross-Connector), які не тільки додають хвилі в загальний транзитний сигнал і виводять їх звідти, як це роблять мультиплексори вводу-виводу, а й підтримують довільну комутацію між оптичними сигналами, що передаються хвилями різної довжини.

 

Рисунок 38 – Кільце мультиплексорів DWDM

 

Можливості оптичних крос-конекторів по створенню комірчастої топології оцінюються кількістю магістральних зв’язків, які вони можуть підтримувати зі своїми безпосередніми сусідами. Ці зв’язки називають напрямами маршрутизації. Так, верхній крос-конектор (рис. 39) підтримує чотири напрями маршрутизації, а нижній – лише два. Звичайний мультиплексор вводу-виводу завжди підтримує лише два напрями маршрутизації.

З успіхами DWDM пов’язаний ще один перспективний технологічний напрям – повністю оптичні мережі. У таких мережах всі операції по мультиплексуванню/ демультиплексування, вводу-виводу і крос-комутації (маршрутизації) даних виконуються без перетворення сигналу з оптичної форми в електричну, що дозволяє істотно здешевити мережу. Однак можливості оптичних технологій поки ще недостатні для створення масштабних повністю оптичних мереж, тому їх практичне застосування обмежене фрагментами, між якими виконується електрична регенерація сигналу.

 

 

Рисунок 39 – Комірчаста топологія DWDM

 

 

7.3 Мережі OTN. Ієрархія швидкостей

 

Мережі DWDM не є власне цифровими мережами, так як вони лише надають користувачам окремі спектральні канали, які є не більше ніж несучої середовищем. Для того щоб передавати по такому каналу цифрові дані, необхідно якимось чином домовитися про метод модуляції або кодування двійкових даних, а також передбачити такі важливі механізми, як контроль коректності даних, виправлення бітових помилок, забезпечення відмовостійкості, оповіщення користувача про стан з’єднання і т. п.

Історично мультиплексори DWDM були також і мультиплексорами SDH, тобто в кожному з хвильових каналів для вирішення перерахованих завдань вони використовували техніку SDH. Однак, через деякий час експлуатації мереж SDH/DWDM стали помітні певні недоліки, пов’язані із застосуванням технології SDH в якості основної технології передачі цифрових даних по спектральним каналах DWDM. Основні недоліки:

·       Недостатня ефективність кодів FEC, прийнятих в якості стандарту SDH. Це перешкоджає подальшому підвищенню щільності спектральних каналів в мультиплексорах DWDM. Логіка тут наступна: при збільшенні кількості спектральних каналів в оптичному волокні збільшується взаємний вплив їх сигналів, отже, зростають спотворення сигналів і, як наслідок, бітові помилки при передачі цифрових даних по цих спектральним каналах. Якщо ж процедури FEC настільки ефективні, що дозволяють «на льоту» усунути значну частину цих помилок, то цими помилками можна знехтувати і збільшити кількість спектральних каналів. Або ж не збільшувати кількість каналів, а збільшити довжину нерегенерованих секцій мережі.

·       Занадто «дрібні» одиниці комутації для магістральних мереж, що працюють на швидкостях 10, 40 і 100 Гбіт/с. Підтримка таких абонентських каналів, як канали зі швидкостями 1,5, 2 або 34 Мбіт/с, ускладнює апаратуру мереж, тому бажаним є використання одиниць комутації, які більше відповідають бітовим швидкостям сучасного клієнтського обладнання. Механізм віртуальної конкатенації SDH частково вирішує цю проблему, але в цілому вона залишається.

На подолання цих недоліків націлена нова технологія – оптичних транспортних мереж (Optical Transport Network, OTN), яка забезпечує передачу і мультиплексування цифрових даних по хвильових каналах DWDM більш ефективно, ніж SDH. У той же час мережі OTN забезпечують зворотну сумісність з SDH, так як для мультиплексорів OTN трафік SDH є одним з видів користувацького трафіку поряд з такими клієнтами, як Ethernet і GFP.

Потрібно відзначити, що технологія OTN не замінює технологію DWDM, а доповнює її хвильові канали «цифровою оболонкою». Термін «цифрова оболонка» (digital wrapper) інколи навіть використовується в якості назви самої технології OTN.

Архітектура мереж OTN описана в стандарті ITU-T G.872, а найбільш важливі технічні аспекти роботи вузла мережі OTN описані в стандарті G.709.

Технологія OTN багато взяла від технології SDH, в тому числі коефіцієнт кратності швидкостей 4 для побудови своєї ієрархії швидкостей. Однак початкова швидкість ієрархії швидкостей OTN набагато вища, ніж у SDH: 2,5 Гбіт/с замість 155 Мбіт/с. В даний час стандартизовано чотири швидкості технології OTN – OTU1-OTU4 (Optical channel Transport Unit level k – транспортний блок оптичного каналу рівня k) (табл. 3).

 

Таблиця 3 – Ієрархія швидкостей технології OTN

Назва каналу	Швидкість кадрів OTN (Гбіт/с)	Клієнтський кадр	Швидкість клієнта (Гбіт/с)
OTU1	2,666	STM-16	2,488
OTU1	10,709	STM-64	9,953
OTU1	43,018	STM-256	39,813
OTU1	111,8	100G Ethernet	100

 

7.4 Стек протоколів OTN

 

Стек протоколів OTN складається з 4-х рівнів. Узагальнена архітектура мережі OTN і області розповсюдження протоколу кожного рівня (рис. 40), а ієрархія протоколів OTN (рис. 41).

 

 

Рисунок 40 – Мережа OTN і розповсюдження протоколів

 

 

Рисунок 41 – Ієрархія протоколів OTN

 

Протокол OPU (Optical сhannel Payload Unit – блок користувацьких даних оптичного каналу) відповідає за передачу даних між користувачами мережі. Він займається інкапсуляцією користувацьких даних, таких як кадри SDH або Ethernet, в блоки OPU, вирівнюванням швидкостей передачі користувацьких даних і блоків OPU, а на приймальній стороні вилучає з каналу прийняті дані і передає їх користувачу. В залежності від швидкості передачі даних цьому протоколу відповідають блоки OPU1, OPU2, OPU3 і OPU4. Для виконання своїх функцій протокол OPU додає до користувацьких даних свій заголовок OPU ОН (OverHead). Блоки OPU не модифікуються мережею.

Протокол ODU (Optical Channel Data Unit – блок даних оптичного каналу), так само, як і протокол OPU, працює між кінцевими вузлами мережі OTN. У його функції входить мультиплексування і демультиплексування блоків OPU, наприклад, мультиплексування чотирьох блоків OPU1 в один блок OPU2. Крім того, протокол ODU підтримує функції моніторингу якості з’єднань в мережі OTN. Цей протокол формує блоки ODU потрібної швидкості, додаючи до відповідних блоків OPU свій заголовок. Протокол OTU (Optical Channel Transport Unit – транспортний блок оптичного каналу) працює між двома сусідніми вузлами мережі OTN, які підтримують функції електричної регенерації оптичного сигналу, звані також функціями 3R (Retiming – відновлення синхронізації, Reshaping – відновлення форми і Regeneration – регенерація). Основне призначення цього протоколу – контроль і виправлення помилок за допомогою кодів FEC (Forward Error Correction – завадостійке кодування). Цей протокол додає до блоку ODU своє закінчення, що містить код FEC, утворюючи блок OTU. Блоки OTU поміщаються безпосередньо в оптичний канал.

Нижній рівень протоколів становить оптичний канал (Optical Channel, Och), зазвичай, це спектральний канал DWDM.

 

7.5 Кадр OTN

 

Кадр OTN складається з 4080 стовпців (байтів) і 4 рядків (рис. 42).

 

Рисунок 42 – Формат кадру OTN

 

Кадр складається з поля користувацьких даних (Payload) і службових полів блоків OPU, ODU і OTU. Формат кадру не залежить від рівня швидкості OTN, тобто він, наприклад, однаковий для блоків OPU1/ODU1/OTU1 і OPU2/ODU2/OTU2.

Поле користувацьких даних розташовується з 17 по 3824 стовпець і займає всі чотири рядки кадру, а заголовок блоку OPU займає стовпці 15 і 16 також в чотирьох рядках. Блок ODU представлений тільки заголовком ODU ОН (формально він також має поле даних, в яке поміщений блок OPU), а блок OTU складається з заголовка OTU ОН і закінчення OTU FEC, що містить код корекції помилок FEC. Починається кадр з невеликого поля вирівнювання кадру, необхідного для розпізнавання початку кадру.