RLC

DWDM pro metropolitní sítě v kombinaci s CWDM a jedno vlákno.

Ing. Jaromír Šíma

Anotace
Příspěvek je zaměřen na popis řešení postupného přechodu optické sítě CWDM (Coarse Wavelength Division Multiplexing) na optickou síť s využitím DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing) technologie. Dále jsou popsány možnosti řešení DWDM sítě v obousměrném režimu s využitím jednoho vlákna.

Klíčová slova
Optické sítě, vlnový multiplex, CWDM, DWDM, EDFA zesilovač, optický cirkulátor, optický interleaver, pásmový filtr

1. Úvod

Doposud se technologie DWDM používá většinou pro dálkové a meziměstské sítě. V metropolitních sítích a na krátké vzdálenosti se běžně nasazuje technologie CWDM. V případě, kdy technologie CWDM již nestačí (malý počet kanálů, nízká přenosová rychlost do 2,5GBit/s), je možné stávající síť CWDM rozšířit o další kanály DWDM. K tomu je nejlepší použít přenosové kanály CWDM 1530 a 1550 nm.

Také se můžeme setkat se situací, kdy je k dispozici jen jedno optické vlákno. V případě použití pouze technologie CWDM zde není problém – pro obousměrný přenos využijeme střídavě sousední vlnové délky pro příjem a vysílání. Tento princip můžeme zachovat také v případě, kdy použijeme technologii DWDM na krátkou vzdálenost – bez využití EDFA zesilovačů. Pro trasy s větším útlumem, kdy je nutné již nasazení EDFA optických zesilovačů, musíme celé přenosové pásmo DWDM rozdělit tak, aby byl oddělen směr vysílání a příjmu.

2. Technologie CWDM

Technologie CWDM je forma vlnového multiplexu, která využívá větší odstup mezi jednotlivými přenosovými kanály, než je tomu u klasické technologie hustého multiplexu DWDM. Samotný princip CWDM není nový. Již v doporučení ITU-T G.671 bylo specifikováno, že CWDM multiplex by měl mít odstup jednotlivých kanálů menší než 50 nm a větší než 1000 GHz (což je přibližně 8 nm pro vlnovou délku 1550 nm). Teprve příchod pevné specifikace jednotlivých vlnových délek dal základ pro velký rozvoj a hromadné nasazení této technologie.

Standardizační komise ITU (International Telecommunication Union), skupina T (Telecommunication standardization sector ITU-T) vydala 13. června roku 2002 doporučení: ITU-T G.694.2 - Spectral grids for WDM applications: CWDM wavelength grid.

Standard ITU-T G.694.2 definuje velikost odstupu jednotlivých kanálů vlnových délek pro použití CWDM technologie tak, aby bylo možné jako zdroje záření použít laserové diody bez nároku na chlazení. Jednotlivé vlnové délky byly také zvoleny tak, aby byly kompatibilní s klasickými používanými vlnovými délkami 1310 nm a 1550 nm.

Jednotlivé vlnové délky CWDM technologie jsou definovány v rozsahu 1270 nm až 1610 nm se vzájemným odstupem 20 nm.



Vlastní standard G.694.2 předpokládá použití nechlazených laserových zdrojů s celkovou tolerancí od nominální střední vlnové délky v rozsahu */- 6 až 7 nm. Vzhledem k toleranci, která je povolena standardem, se v praxi ustálila šířka pásma v rozsahu 6,5 nm, jak pro používané CWDM filtry, tak i pro toleranci vlnových délek laserových diod pro celý rozsah pracovních teplot.

V únoru 2004 byl přijat další standard pro technologii CWDM – ITU T Recommendation G.695 „Optical interfaces for coarse wavelength division multiplexing applications“. Tento standard popisuje doporučené parametry optického rozhraní z důvodu vzájemné kompatibility zařízení CWDM různých výrobců.

Pro konstrukci CWDM filtrů se používá osvědčená technologie tenkovrstvých filmů, která byla již ověřena při použití technologie DWDM. Prakticky to znamená menší počet potřebných napařených vrstev a tedy i nižší cenu, než v případě filtrů pro technologii DWDM. Na rozdíl od hustého vlnového multiplexu DWDM tady máme širší propustné pásmo 6,5 nm od střední vlnové délky optického kanálu. Vzhledem k teplotnímu posunu vlnové délky optického transceiveru (DFB laseru, pro rozsah pracovních teplot od 0°C do +70°C) se v praxi používá vlnová délka optického multiplexeru vždy větší o 1nm, než je nominální vlnová délka laseru. Střed CWDM kanálu pro nominální vlnovou délku 1550 nm je tedy ve skutečnosti 1551 nm.

S tímto posunem středu pásma pasivních CWDM filtrů o jeden nanometr je třeba také počítat v případě kombinace systému CWDM a DWDM.

3. Technologie DWDM

Hustý vlnový multiplex (Dense Wavelength Division Multiplexing) se používá hlavně na dálkových optických trasách a vyžaduje precizní laserové chlazené zdroje a ostatní náročné optické komponenty, jako jsou optické zesilovače EDFA, kompenzátory disperze apod.

Doporučení ITU T G.694.1 „Spectral grids for WDM applications: DWDM frequency grid“ specifikuje jednotlivé přenosové kanály v oblasti vlnových délek v rozsahu od 1490 nm (200,95 THz) do 1620 nm (186,00 THz), (tzv. S, C a L pásmo).

Pro další použití v metropolitních sítích je vhodné omezit technologii DWDM pouze na využití „C“ pásma v oblasti 1530 až 1565 nm, kdy existují vhodné cenově dostupné komponenty (výměnné transceivery DWDM v provedení SFP, XFP a Xenpak a EDFA zesilovače pro C pásmo).

4. Výběr vlnových délek CWDM

Všechny vlnové délky CWDM technologie (k dispozici je 18 kanálů) můžeme využít jen s vláknem typu „Low Water Peak“ neboli s plným spektrem podle standardu G.652.C/D. Vlákno G.652.C/D je nový typ vlákna, které je vyrobeno bez zvýšení útlumu („water peak“) v oblasti vlnových délek okolo 1383 nm.

V běžných případech stávajících optických tras máme ale většinou k dispozici jen standardní optické jednovidové vlákno 9/125um, odpovídající standardu ITU G.652.

Pro kratší vzdálenosti, kdy můžeme vzhledem k útlumu používat vlnové délky již od 1270 nm, je pro standardní optické vlákno G.652 k dispozici 16 kanálů, s vlnovými délkami 1270, 1290, 1310, 1330, 1350, 1410, 1430, 1450, 1470, 1490, 1510, 1530, 1550, 1570, 1590 a 1610 nm.

Pro delší vzdálenosti už nelze přenosové okno v pásmu 1300 nm použít a zbývá nám k dispozici celkem osm přenosových kanálů (pásma S + C+ L), v rozsahu od 1470 do 1610 nm.

Dále se kvůli jednoduchosti budeme zabývat jen horními osmi kanály CWDM (1470-1610 nm).

5. Kombinace technologií CWDM a DWDM

Technologii CWDM lze v případě potřeby vhodně zkombinovat s technologií hustého multiplexu DWDM. Pro technologii DWDM se používají EDFA optické zesilovače, které se běžně dodávají pro práci v pásmu C nebo L, případně pro obě pásma dohromady.

Pro kombinaci s technologií DWDM v metropolitních sítích je vhodné počítat pouze s využitím C pásma.

Pro běžnou situaci s klasickým osmikanálovým CWDM multiplexerem máme tedy k dispozici pro budoucí rozšíření pouze dva kanály, kanál 53 a 55. Vezmeme-li v úvahu šířku CWDM kanálu, pro použití systému DWDM je prakticky v tomto kanálu č. 55 (1551 nm) k dispozici 16 kanálů s rozestupem 100 GHz. V kanálu č. 53 je v C pásmu k dispozici prakticky jen 8 kanálů DWDM s rastrem 100GHz.

Celková využitelná kapacita tohoto systému bude tedy 6 kanálů CWDM a 24 kanálů DWDM.



Pokud budeme dopředu uvažovat o plném využití systému DWDM, je vhodné již na začátku použít CWDM Multi/Demultiplexer s pouze čtyřmi vlnovými délkami 1470/1490/1590/1610 nm (nebo ještě lépe se šesti kanály 47/49/51/57/59/61) s vyvedeným expanzním portem. Na tento expanzní port je vyveden zbytek použitého spektra a je tak dispozici skoro celé C pásmo pro systém DWDM (celkem 32 kanálů).

6. Provoz po jediném optickém vlákně

V případě, kdy potřebujeme dosáhnout nejnižší ceny vlastního řešení, můžeme využít ke komunikaci pouze jediné optické vlákno. To v zásadě není problém pro technologii CWDM, kdy použijeme sousední vlnové délky proti sobě jako příjem a vysílání a tak i zvýšíme izolaci mezi jednotlivými kanály. Počet přenosových kanálů, který máme k dispozici, je tak samozřejmě polovinou počtu použitých vlnových délek.

Pro systém DWDM a krátkou vzdálenost, kdy není nutné nasadit optické EDFA zesilovače, lze s výhodou použít stejný princip jako v případě CWDM.

Pro delší trasy a větší počet kanálů DWDM (vyšší útlum Multi/Demultiplexerů) je nutné nasazení EDFA zesilovačů. Musíme proto vhodně oddělit směr vysílání a příjmu pro použití standardních EDFA zesilovačů (existují sice i EDFA zesilovače, které zesilují obousměrně, ale nejsou běžně komerčně dostupné a mají i další nevýhody – vyšší šum apod.).

K oddělení směru příjem/vysílání v DWDM síti lze v zásadě použít několik způsobů. Jeden z nejjednodušších je použití optických cirkulátorů. Optický cirkulátor umí rozdělit obousměrný signál z jednoho do dvou vláken a je vlnově nezávislý. Jeho použití spolu s EDFA zesilovači ale přináší vlivem zpětného rozptylu světla ve vlákně zhoršení optického šumu v trase a pro delší vzdálenosti s více EDFA zesilovači je tak nepoužitelný.

Dále můžeme použít pásmový filtr (rozdělení celého pásma DWDM na dvě poloviny), kdy horní polovina pásma je určena pro jeden směr přenosu a druhá polovina pásma pro obrácený směr. Toto řešení se používá nejvíce, nevýhodou ve srovnání s použitím interleaveru je nižší izolace mezi kanály.

Pokud nám postačí na jednom vlákně s CWDM systémem provozovat pouze dalších 8 DWDM kanálů, lze na rozdělení směrů příjem/vysílání použít přímo vlastní CWDM Multiplexer/Demultiplexer. Pro jeden směr tak použijeme kanál CWDM č. 53 a pro druhý směr kanál CWDM č. 55.

Technicky nejlépe vychází použití interleaveru, který rozdělí pásmo DWDM s odstupem 100 GHz na dvě s odstupem 200 GHz (rozdělí vlnové délky sudá/lichá do dvou směrů). Zvýší se tak izolace mezi jednotlivými kanály za cenu dražší použité optické součástky.

Na obrázku č. 3 je naznačeno použití interleaveru 100/200GHz spolu se čtyřportovým CWDM Multi/Demultiplexerem s expanzním portem a osmikanálovým DWDM Multi a Demultiplexerem. Tento DWDM systém lze rozšířit o dalších 16 vlnových délek (sudá/lichá) a dostat se tak na celkovou kapacitu dvou CWDM přenosových kanálů a 16ti DWDM přenosových kanálů.

7. Závěr

Příznivá cena technologie CWDM/DWDM umožňuje až neobvykle vysokou návratnost investice, obvykle v řádu 9 až 12 měsíců. (Cena instalace se bude samozřejmě vždy lišit případ od případu, a bude nejvíce záviset na ceně pronájmu/instalace nových optických vláken, která bychom potřebovali v případě, kdy by technologie CWDM/DWDM nebyla použita).
Možnost budoucího rozšíření systému CWDM o další kanály DWDM nám umožňuje zachovat již vynaložené prostředky a velmi efektivně lépe využít šířku optického pásma jednovidového vlákna.

8. Přehled literatury

• ITU T Recommendation G.694.2 „Spectral grids for WDM applications: CWDM wavelength grid“
• ITU T Recommendation G.695 „Optical interfaces for coarse wavelength division multiplexing applications“
• ITU T Recommendation G.694.1 „Spectral grids for WDM applications: DWDM frequency grid“
• Katalogové listy a literatura firem Cisco, Finisar, Lumentis
• Firemní literatura Transmode Systems AB, Švédsko


Ing. Jaromír Šíma
RLC Praha a.s.
e-mail: sima(zavinac)rlc.cz