28 подписчиков

О технологии DWDM

17 июня 202217 июн 2022

206

7 мин

Передача различного клиентского трафика по одному волокну со скоростью в несколько десятков терабит. Возможно? Читайте в статье.

Объем данных, передаваемый по сетям связи, растет ежегодно на 20 –
30 %. Это следствие бурного технического прогресса в индустрии связи, интернет-технологий, сетевых приложений и облачных сервисов. В новых условиях одним из главных требований, предъявляемых к волоконно-оптическим сетям, стала возможность быстрого увеличения их пропускной способности в соответствии с ростом объемов трафика.

Наилучшим образом эта задача решается с помощью технологии мультиплексирования каналов по длинам волн (WDM — Wavelength Division Multiplexing). Использование этой технологии позволяет передавать одновременно несколько информационных каналов по одному оптическому волокну, используя для этого различные длины световых волн.

Схема передачи различных информационных каналов по одному оптическому волокну

Каналы, имеющие разную скорость и форматы передачи, можно добавлять постепенно, что дает возможность операторам поэтапно масштабировать пропускную способность, снизить капитальные затраты на строительство и дальнейшее развитие сетей.

Традиционной сферой применения технологии WDM стали междугородная телефонная связь и телевещание. В 1985 году ученые Bell Laboratories провели первые эксперименты с WDM: удалось мультиплексировать 10 каналов по 2 Гбит/с с шагом 3 нм друг от друга. В этом же году аналогичные опыты провели ученые в BTRL (British Telecommunications), в которых использовалось 7 каналов по 280 Мбит/с с шагом 15 нм.

Первые WDM-системы были двухканальными — работали на длинах волн 1310 и 1550 нм.

Окна прозрачности на длинах волн 1310 и 1550 нм

Позже появились многоканальные решения:

1. CWDM (Coarse Wavelength Division Multiplexing) — грубое спектральное уплотнение. Технология CWDM обеспечивает передачу сигнала в диапазоне 1260 – 1625 нм до 18 оптических каналов с шагом 20 нм между ними. CWDM-система не предполагает наличия в линии оптических усилителей, так как большинство каналов не входят в рабочий диапазон длин волн эрбиевого усилителя. Это значит, что максимальная длина регенерационного участка ограничена параметрами приемопередающих модулей (трансиверов) и физическими свойствами волокна. Технология широко применяется в городской сети и сети доступа, где требуется недорогое решение с небольшим расстоянием между абонентами, а необходимая пропускная способность не превышает 10 Гбит/с на канал. Благодаря большому межканальному расстоянию, снижаются требования к конструкции трансиверов и пассивной оптике (мультиплексоров). Как следствие, стоимость CWDM-решений меньше по сравнению с DWDM.

Технология CWDM целесообразна в следующих случаях:

+ недорогое решение с небольшими расстояниями между абонентами

— необходимая пропускная способность не превышает 10 Гбит/с на канал

— не предусмотрено масштабирование системы в сторону существенного увеличения числа несущих каналов

2. DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing) — плотное спектральное уплотнение. Технология необходима, в первую очередь, для построения магистральных линий связи. Оптические каналы располагаются в диапазоне от 1530 до 1565 нм с шагом 0,4 нм (50 ГГц) или 0,8 нм (100 ГГц). Фиксированная сетка (Fixed Grid) частот предполагает ограничение количества оптических каналов и менее эффективное использование спектрального диапазона. Современные поколения транспондеров (с разной частотной модуляцией) и мультиплексоров предполагают гибкую сетку частот (Flex Grid). Ширина спектрального диапазона канала подстраивается под его пропускную способность. Применение таких решений существенно увеличивает производительность линий связи.

Фиксированная (Fixed Grid) и гибкая (Flex Grid) частотные канальные сетки

Технология DWDM целесообразна в следующих случаях:

+ построение высокоскоростных сетей связи

+ необходимость гибкого масштабирования сети — емкость DWDM-системы можно наращивать, увеличивая как число спектральных каналов, так и скорость передачи в каждом канале

+ передача сигнала на протяженных линиях связи

Мощным драйвером развития DWDM-систем стало появление эрбиевых усилителей (EDFA — Erbium-Doped Fiber Amplifier) в начале 1990-х годов. EDFA позволяет равномерно усилить каналы на разных длинах волн в том спектральном диапазоне, где затухание сигнала минимально (С-диапазон, 1530-1565 нм).

Появление эрбиевых усилителей открыло возможность построения многоканальных систем, обеспечивающих передачу сигнала до нескольких тысяч километров без электрической регенерации сигнала.

Магистральное телекоммуникационное оборудование компании Т8

Эволюция скоростей:

1996 год — Bell Laboratories, Fujitsu Laboratories и Nippon Telegraph and Telephone(NTT) достигли скорости передачи 1 Тбит/с в лабораторных условиях;
1998 год — Bell Laboratories объявил о двух новых достижениях — передаче данных по 100 каналам (скорость каждого — 10 Гбит/с) при дальности около 400 км и по 30 каналам (скорость 40 Гбит/с) при дальности 85 км. В обоих экспериментах применялись новые оптические усилители Bell Laboratories, полоса пропускания которых почти в семь раз шире, чем у серийных устройств;
2009 год — Bell Laboratories посредством мультиплексирования 155 каналов по 100 Гбит/с удалось передать данные со скоростью 15,5 Тбит/с на расстояние 7 000 км;
2012 год — российская компания Т8 установила мировой рекорд по передаче сигнала 100 Гбит/с на 4 000 км волокна без компенсаторов дисперсии в 80-канальной DWDM системе. Бюджет 1-канальной линии составил 84 дБ;
2013 год — Bell Laboratories протестировала технологию шумоподавления, которая позволяет передать 400 Гбит/с по оптоволокну на 12 800 км;
2015 год — Т8 установила рекорд по передаче сигнала 100G без регенерации в каскаде усилителей в реальной линии Москва—Новосибирск: Москва > Самара > Новосибирск: 4 250 км с запасом OSNR 7 дБ и Москва > Екатеринбург > Новосибирск: 3 400 км с запасом OSNR 8,5 дБ;
2019 год — Т8 установила мировой рекорд по передаче сигнала со скоростью 200 Гбит/с на 520 км в одном пролете без регенерации;
март 2020 года — Infinera и Corning организовали передачу данных со скоростью 800 Гбит/с по одной длине волны на 800 км.
сентябрь 2020 года — Ciena и TELUS организовали передачу данных со скоростью 800 Гбит/с по одной длине волны на 970 км. В «живой линии» Торонто—Оттава—Монреаль—Квебек используется семь усилителей.

График увеличения емкости лабораторных и промышленных линий связи за 1980-2020 годы

Основные элементы линии связи:

— транспондер — прибор, который подготавливает сигнал к передаче в оптическое волокно

— оптическое волокно — тонкая нить, изготовленная из кварцевого стекла, по которой передается электромагнитное излучение

— мультиплексор — оборудование, объединяющее сигналы из разных волокон на разных длинах волн в одном волокне, и демультиплексор — разделяющий несколько сигналов на разных длинах волн из одного волокна по разным волокнам

— усилитель — оборудование, усиливающее многоканальный сигнал при его передаче по оптическому волокну

За время эволюции систем спектрального уплотнения усовершенствовались их основные компоненты, но наиболее ярко развитие технологии можно определить по приемопередающим устройствам — транспондерам, мукспондерам и агрегаторам. DWDM-система, в первую очередь, — это транспорт для клиента (Ethernet, SDH, FC, SAN, Видео), в котором исходная информация должна соответствовать принимаемой информации.

Каналообразующее оборудование прошлых поколений работало на уровне отдельных символов, то есть приняло от клиента «1» — отправило в линию «1», приняло из линии «1», передало клиенту «1». Главный недостаток того подхода — отсутствие контроля возникновения ошибок. Если приемник вместо «1» предает «0» — это ошибка, транспондер ее не обнаружил и не исправил, клиент получил неверный формат сигнала.

В современных системах связи эта проблема решается с помощью алгоритмов упреждающей коррекции ошибок (FEC — Forward Error Correction), который позволяет правильно и качественно доставить сигнал от одной точки до другой. Чем сложнее алгоритм FEC, тем более низкого качества сигнал с допустимым уровнем ошибок можно обработать на приеме. Оборудование прошлых поколений FEC не добавляет.

Современное каналообразующее оборудование работает на уровне формата трафика, то есть от клиента принимается битовый поток (биты, идущие с определенной скоростью), который собирается в определенный пакет-контейнер с единым форматом трафика (OTN — Optical Transport Network). OTN-контейнер имеет унифицированный заголовок, обработку аварий и сигнализаций, поля FEC. Условно, DWDM-система — железная дорога, по которой ездит транспорт, состоящий из отдельных вагонов-контейнеров (OTN). Для каналообразующего оборудования не важно, что внутри контейнера, система работает одинаково с любым клиентским трафиком. В этом случае — дальность работы линейного интерфейса определяется оборудованием, а траблшутинг сводится к анализу системы управления.

Производители не останавливаются на достигнутом и непрерывно ищут аппаратные и алгоритмические решения для повышения скорости передачи данных.

Сегодня технология DWDM применяется для построения:

— магистральных сетей

— региональных и городских сетей

— межсоединений ЦОД (DCI— Data Center Interconnect) для увеличения емкости существующих систем передачи по оптическим волокнам и удешевления трафика передачи данных