Wavelength division multiplexing (WDM)

Transcript

1 ΟπτικήΤεχνολογία WDM

2 ΤΕΙΗΠΕΙΡΟΥ Πολυπλεξίαµεβάσητοµήκοςκύµατος Wavelength-division multiplexing (WDM) Πολυπλεξία (Multiplexing) Είναι η διαδικασία κατά την οποία πολλά αναλογικά σήµατα ή ψηφιακές ροές δεδοµένων (streams) συνθέτονται σε ένα σήµα το οποίο διοχετεύεται µέσα σε ένα διαµοιραζόµενο µέσο. Τύποι πολύπλεξης Time division multiplexing (TDM) Frequency division multiplexing (FDM) Μέθοδοι πολύπλεξης στην Οπτική τεχνολογία Time division multiplexing (TDM) Wavelength division multiplexing (WDM)

3 Timeline Optical Fibre SDH DWDM CWDM

4 Πρόβληµα και λύση Πρόβληµα: Αυξηµένη απαίτηση µεγάλου Εύρους Ζώνης Άµεση Λύση: Dense Wavelength Division Multiplexing Μακροπρόθεσµη Λύση: ίκτυα Οπτικών Ινών

5 Dense WDM

6 Τεχνολογία WDM A λ1 Wavelength Division Multiplexer Fibre Wavelength Division Demultiplexer λ1 X B λ2 λ1 + λ2 λ2 Y Πολλά κανάλια πληροφοριών που µεταφέρονται µέσα από την ίδια οπτική ίνα, και κάθε κανάλι χρησιµοποιεί το ιδιαίτερο µήκος κύµατος που έχει. Το A επικοινωνεί µε το X και το B µε το Y σαν να υπήρχε αποκλειστική γραµµή µεταξύ τους Τυπικά το ένα κανάλι χρησιµοποιεί κύµα 1320 nm και το άλλο 1550 nm Μπορούµε να µορφοποιήσουµε πολλά κανάλια, χρησιµοποιώντας διάφορες ζώνες µήκους κύµατος (ζώνη ~εκατοντάδα nm) Το WDM εξελίχτηκεσε : Coarse WDMήCWDMκαι Dense WDMήDWDM

7 Τεχνολογία WDM A B C λ1 λ2 λ3 Wavelength Division Multiplexer Fibre λ1 + λ2 + λ3 Wavelength Division Demultiplexer λ1 λ2 λ3 X Y Z Πολλά κανάλια δεδοµένων συνθέτονται και οδηγούνται σε µια οπτική ίνα. Κάθε κανάλι διατηρεί το δικό του µήκος κύµατος. Ελκυστική τεχνική πολυπλεξίας Yψηλό συνολικό ρυθµό µετάδοσης χωρίς ηλεκτρονικό εξοπλισµό ή ηλεκτρική διαµόρφωση Χαµηλή διασπορά για ένα αρκετά µεγάλο συνολικό ρυθµό µετάδοσης (bit rate) Πολύ χρήσιµη για αναβάθµιση σε εγκατεστηµένο σύστηµα Οπτικών Ινών Απελευθέρωση από την εµπορικών συσκευών, όπως πχ OTDM συσκευές. Οι απώλειες, οι παρεµβολές και οι µη γραµµικές επιδράσεις είναι πιθανά αλλά πάντως µικρά προβλήµατα.

8 Τεχνολογίες WDM *PON-Passive Optical Networks

9 Dense Wavelength Division Multiplexing (DWDM)

10 Dense WDM A B C λ1 λ2 λ3 Wavelength Division Multiplexer Fibre λ1 + λ2 + λ3 Wavelength Division Demultiplexer λ1 λ2 λ3 X Y Z Πολλά κανάλια δεδοµένων µεταφέρονται µέσω µιας Οπτικής Ίνας. Κάθε κανάλι διατηρεί το δικό του µήκος κύµατος. Dense WDM είναι WDM που χρησιµοποιεί κανάλια σε πυκνό σχηµατισµό Η µορφοποίηση του καναλιού µειώνεται στο 1.6 nm και σε ακόµη µικρότερη περιοχή Μπορεί να αυξήσει την χωρητικότητα µεταφοράς µε οικονοµικό τρόπο και χωρίς αντικατάσταση των οπτικών Ινών Υπάρχουν εµπορικά συστήµατα µε χωρητικότητες από 32 κανάλια και άνω. Και µε ρυθµό µεταφοράς > 80 Gb/s ανά οπτική ίνα.

11 Dense WDM T1 T2 λ1 λ2 Wavelength Division Multiplexer Fibre Wavelength Division Demultiplexer λ1 λ2 R1 R2 TN λn λ1 + λ2... λn λn RN Πολλά κανάλια δεδοµένων µεταφέρονται από την ίδια οπτική ίνα, και κάθε κανάλι χρησιµοποιεί ένα ιδιαίτερο µήκος κύµατος Σε αντίθεση µε την τεχνολογία CWDM, τα κανάλια είναι πολύ πιο κοντά µεταξύ τους Οεκποµπός Τ1 επικοινωνεί µε τον δέκτη R1 σαν να είναι συνδεδεµένα µε µια ιδιαίτερη οπτική ίνα, οµοίως τα Τ2 και R2 κ.οκ.

12 Βασικά εξαρτήµατα DWDM

13 Βασικά εξαρτήµατα DWDM

14 Βασικά εξαρτήµατα DWDM 1. Τερµατικός Πολυπλέκτης DWDM (terminal DWDM multiplexer) Εµπεριέχει converters ηλεκτρικών σηµάτων σε οπτικά και αναµεταδότες οπτικών σηµάτων- ιαθέτει εισόδους SONET/SDH - Για την εκποµπή οπτικών σηµάτων χρησιµοποιούνται Laser 1550 nm - Χρησιµοποιεί οπτικές ζώνες: C-Band, S-Band, και L-Band - Αποστάσεις καναλιών GHz (0,8-1,6 nm) 2. Ενδιάµεσος Επαναλήπτης γραµµής (intermediate line repeater) Για αντιστάθµιση απωλειών -Τοποθετείται κάθε km ενίσχυση µε EDFA 3. Ενδιάµεσο οπτικό πολυπλέκτη (optical add-drop multiplexer) Ενίσχυση µέχρι 140 Km - Οπτικά σήµατα µπορούν να προστίθενται ή να αφαιρούνται - Εισάγονται/Εξάγονται οπτικά διαγνωστικά σήµατα τηλεµετρίας 4. Τερµατικός απο-πολυπλέκτης (terminal DWDM demultiplexer) Αναλύει την δέσµη φωτός σε επι µέρους σήµατα σήµατα µήκους 1550 nm - ιαθέτει εξόδους SONET/SDH. 5. Οπτική Εποπτεία Καναλιού (OSC-Optical Supervisory Channel) Οπτικό σήµα έξω από την ζώνη ενίσχυσης του ενισχυτή EDFA Μεταφέρει πληροφορίες οι οποίες αφορούν το σύνθετο σήµα και πληροφορίες σχετικές µε την κατάσταση των άκρων χρησιµοποιούν οπτικό φορέα OC-3 Τα OSC σήµατα πάντα τερµατίζουν σε ενδιάµεσους σταθµούς όπου λαµβάνουν πληροφορίες και επαναµεταδίδονται.

15 Τερµατικός απο-πολυπλέκτης terminal DWDM demultiplexer

16 Βασικά θέµατα τεχνολογίας DWDM Dense WDM είναι WDM το οποίο χρησιµοποιεί κανάλια µε πιο πυκνό τρόπο Η περιοχή κάθε καναλιού περιορίζεται σε 1.6 nm ή και λιγότερο Οδηγεί σε αύξηση της χωρητικότητας µε αποδοτικό τρόπο χωρίς αντικατάσταση των οπτικών ινών Υπάρχουν εµπορικά συστήµατα µε χωρητικότητα 32 καναλιών ή και παραπάνω και µε ρυθµό µεταφοράς δεδοµένων 80 Gb/s ανά οπτική Ίνα Επιτρέπει τοπολογίες νέων οπτικών δικτύων, πχ. µητροπολιτικών δακτυλίων µε υψηλή ταχύτητα. Οι οπτικοί ενισχυτές είναι επίσης ένα βασικό εξάρτηµα της DWDM τεχνολογίας

17 Dense WDM ITU-T (2002) : Οδηγία G καθιερώθηκε πλέγµα (grid) συχνοτήτων που έχει συχνότητα 100 GHz (δηλ. λ=0,8 nm) Tα σύγχρονα DWDM συστήµατα µπορούν να υλοποιηθούν και µε ακόµη µικρότερο εύρος ζώνης συχνότητα δηλ. µε συχνότητα 50 GHz ή ακόµη και 25 GHz. Έτσι τα σύγχρονα συστήµατα DWDM φθάνουν µέχρι και 160 διαφορετικά ενεργά κανάλια. Τα συστήµατα DWDM πρέπει να διατηρούν πιο σταθερό µήκος κύµατος σε σχέση µε τα συστήµατα CWDM, λόγω της πολύ µικρότερης απόστασης που έχουν µεταξύ τους τα διάφορα µήκη κύµατος των καναλιών. Απαιτείται ακριβής έλεγχος της θερµοκρασίας των Lasers. Λόγω της µεγάλης χωρητικότητας, χρησιµοποιούνται σε υψηλότερο επίπεδο στην ιεραρχία των επικοινωνιών σε σχέση µε τα συστήµατα CDWDM. Οι συσκευές DWDM είναι πιο δαπανηρές σε σχέση µε τις αντίστοιχες CWDM

18 Οι σύγχρονες συσκευές DWDM : Dense WDM διαθέτουν µικρό σχήµα συνδέονται εύκολα (pluggable) µέσω ειδικών Interfaces και ρυθµίζονται εύκολα µέσω λογισµικού (software-tunabe) λειτουργούν χωρίς προβλήµατα µε 40 ή 80 κανάλια ταυτόχρονα.

19 Αρχιτεκτονικές οπτικών δικτύων DWDM Αρχιτεκτονική ανοικτών συστηµάτων DWDM - O εξοπλισµός που χρησιµοποιείται για την ολοκλήρωση των δικτύων είναι ανεξάρτητος από το υπόλοιπο δίκτυο. Πχ προσφέρει ρυθµό δεδοµένων της τάξεως 2,5 Gbps ή 10 Gbps. Πλεονέκτηµα της αρχιτεκτονικής: - µεγάλη ευελιξία στους κατασκευαστές των δικτύων διότι και γίνεται επιλογή εξοπλισµού και επένδυση σε εξοπλισµό σύµφωνα µε τις ίδιες ανάγκες και καθοδηγούµενος από τον υπάρχοντα εξοπλισµό. Αρχιτεκτονική κλειστών συστηµάτων DWDM Η ολοκλήρωση της δικτυακής τεχνολογίας µε χρήση ειδικών ενεργών δικτυακών συσκευών πχ συσκευές ATM Switches, SONET/SDH, Add-Drop Multiplexers, IP Routers.Ο εξοπλισµός αυτός κάθε φορά είναι σύµφωνος µε το προϋπάρχον δίκτυο. Ο εξοπλισµός παρέχεται ως ενιαίες συσκευές (modules). Στόχος, η διαχειριστική απλότητα, αποφυγή δυσλειτουργιών. Σε µεγάλες αποστάσεις χρήση η Ανοικτή Αρχιτεκτονική για µικρές αποστάσεις η Κλειστή Αρχιτεκτονική.

20 Πλεονεκτήµατα και Μειονεκτήµατα DWDM

21 Πλεονεκτήµατα Τεχνολογίας DWDM Μεγαλύτερη χωρητικότητα Οπτικής Ίνας Ευκολότερη επέκταση δικτύου εν χρειάζονται καινούργιες Οπτικές Ίνες Προσθέτεται απλά ένα νέο µήκος κύµατος Το κόστος για ένα καινούργιο κανάλι είναι χαµηλό εν χρειάζεται να αντικαταστήσετε πολλές συσκευές όπως για παράδειγµα οι οπτικοί ενισχυτές Τα συστήµατα DWDM είναι ικανά να µεταφέρουν δεδοµένα σε µεγάλες αποστάσεις Η TDM προσέγγιση µε χρήση γραµµών STM-64 είναι πιο δαπανηρή και πιο ευάλωτη σε χρωµατική διασπορά πόλωσης Μπορεί να µετακινηθείς από γραµµές STM-64 όταν το επιτρέπουν τα οικονοµικά

22 DWDM ~ TDM Η τεχνολογία DWDM µπορεί να αυξήσει την χωρητικότητα µιας διασύνδεσης, σετιµέςασυναγώνιστεςαπότηντεχνολογία TDM Τα συστήµατα TDM υψηλών ταχυτήτων είναι πολύ δαπανηρά

23 Μειονεκτήµατα DWDM εν είναι οικονοµικά αποδοτική για µικρό αριθµό καναλιών Τοκόστοςτωνβασικώνεξαρτηµάτωνόπως mux/demux, αναµεταδότες(transponder), κλπ είναι σταθερό Εισάγει ένα άλλο στοιχείο, το πεδίο των συχνοτήτων, για το σχεδιασµό του δικτύου και τη διαχείριση Τα συστήµατα διαχείρισης των δικτύων SONET/SDH δεν είναι καλάεξοπλισµέναώστεναµπορούνναδιαχειρίζονται DWDM συνδέσεις ή ανάλογες δικτυακές τοπολογίες Η παρακολούθηση της απόδοσης και η ανάπτυξη µεθόδων προστασίας συστηµάτων DWDM δεν είναι αρκούντως ικανοποιητική.

24 Ρυθµός Terabit µε χρήση DWDM 1.1 Tbits/sec συνολικό bit rate (περισσότερα από 13 εκατοµµύρια τηλεφωνικά κανάλια) 55 µήκη κύµατος συνθέτονται (wavelengths) µε ρυθµό 20 Gbits/sec το καθένα κύµα 1550 nm µεταφέρεται σε απόσταση 150 km µε µικρή σχετικά διασπορά Bandwidth από nm έως nm (µε 0.6 nm spacing)

25 High Density DWDM

26 Αξιοποιώντας την πλήρη χωρητικότητα των Οπτικών Ινών Καταγεγραµµένη χωρητικότητα συστηµάτων DWDM Date Manufacturer Αριθµός Καναλιών Total Capacity April 2000 Lucent Terabits/sec September 2000 Alcatel Terabits/sec October 2000 NEC Terabits/sec October 2000 Siemens Terabits/sec March 2001 Alcatel Terabits/sec March 2001 NEC Terabits/sec Σηµείωση: ΗΧωρητικότηταµιαςΟπτικήςΊναςείναι: 1000 x 40 Gbits/s = 40 Tbits/s per fibre

27 Ultra-High Density DWDM (UDWDM) Τα τρέχοντα εµπορικά συστήµατα χρησιµοποιούν συνήθως 32 channels Όµως έχουν επιδειχθεί συστήµατα µε 80+ κανάλια Η Lucent έχει επιδείξει ένα σύστηµα µε 1,022 κανάλια Σε κάθε κανάλι λειτουργεί µεταφορά δεδοµένων της τάξεως 37 Mbits/s Το σύστηµα µε συνολικό ρυθµό δεδοµένων 37 Gbits/s total και το οποίο χρησιµοποιεί διάστηµα 10 GHz ως διάστηµα καναλίου, αυτό το σύστηµα ονοµάστηκε Ultra-DWDM or UDWDM Ικανότητα επέκτασης σε Tbits/sec?

28 3.28 Terabit/sec DWDM Η Lucent παρουσίασε έναν σχετικό οπτικό δακτύλιο (April 2000) Μεταφορά δεδοµένων µε οπτικές ίνες και µε ρυθµό 3.28 Tbits/s σε απόσταση 300 km απότην Lucent Ρυθµός δεδοµένων κάθε καναλιού περίπου 40 Gbits/s 40 κανάλιαστην C band και 42 channels στην L band Χρησιµοποιούνται ενισχυτές τύπου Raman

29 10.9 Terabit/sec DWDM Επίδειξη από την NEC τον Μάρτιο του 2001 Οπτικές ίνες µε Ρυθµό 10.9 Tbits/sec σε απόσταση 117 km 273 κανάλια µε Ρυθµό 40 Gbits/s ανά κανάλι Για την εκποµπή χρησιµοποιούνται οι : C, L και S bands Οι ενισχυτές Thulium Doped Fibre Amplifiers (TDFAs) χρησιµοποιούνται στην περιοχή S- band Thulium Doped Amplifier Spectrum (IPG Photonics)

30 Coarse Wavelength Division Multiplexing (CWDM)

31 WDM µε µεγαλύτερη απόσταση για κάθε κανάλι (τυπικά 20 nm) Περισσότερο οικονοµική τεχνολογία σε σχέση µε την τεχνολογία DWDM Καθιερώθηκε από: Coarse Wavelength Division Multiplexing (CWDM) Λόγους κόστους των τηλεπικοινωνιακών ζεύξεων Ανάγκη για καλύτερη αξιοποίηση των υφιστάµενων υποδοµών Η κύρια χρήση του προβλέπεται για περιπτώσεις: Μονότροπων Οπτικές ίνες (SMF) - ITU Rec. G.652. Μητροπολιτικά ίκτυα ίκτυα καλωδιακής τηλεόρασης (2 κανάλια)

32 CWDM Standards: Recommendation G.695 Πρώτη αναγγελία ως standard CWDM τον November 2003 Ορίστηκαν τα οπτικά interface ως standards, πχ. Το interface T/X κλπ Στοχεύει σε αποστάσεις διασύνδεσης: από 40 km έως και 80 km Υποστηρίζει µονόδροµες (Unidirectional) και αµφίδροµες (bidirectional) δικτυακές διασυνδέσεις Χρησιµοποιεί το σύνολο ή µέρος της ζώνης µήκους κύµατος από 1270 nm έως 1610 nm (ITU-T G πλέγµα (grid))

33 CWDM Wavelength Grid: G.694 Το standard ITU-T G.694 ορίζει πλέγµα µήκους κύµατος (wavelength grids) για χρήση της τεχνολογίας CWDM G.694 καθορίζει το wavelength grid µε χώρο 20 nm για κάθε κανάλι: Υποτίθεται συνολικό µήκος κύµατος πηγής µε διακύµανση της τάξεως των ± 6-7 nm Guard-band ίση µε το 1/3 του ελαχίστου χώρου που διαθέτει ένα κανάλι θεωρείται επαρκής Έτσι επιλέγεται περιοχή της τάξεως των 20 nm 18 µήκη κύµατος (wavelengths) µεταξύ 1270 nm και 1610 nm. ITU CWDM Grid (nm)

34 Οι σύγχρονες συσκευές CWDM διαθέτουν: Ποµποδέκτες µε διεπαφές της τάξεως Gigabits και τα οποία interfaces σηµειώνονται και ως GBIC (GigaBit Interface Converter) Επίσης υπάρχουν οι λεγόµενοι SPF (Small Form-factor Pluggable) Ποµποδέκτες. Οι οποίες είναι συσκευές µικρές ως προς το µέγεθος και εύκολα διασυνδέσιµες. Και οι οποίες χρησιµοποιούν το πλέγµα CWDM.

35 Παθητικό CWDM (Passive WDM) Οι κατασκευές αυτές δεν χρησιµοποιούν ηλεκτρική ενέργεια. Ο διαχωρισµός της δέσµης φωτός γίνεται µε την χρήση παθητικών οπτικών στοιχείων πχ πρίσµατα, φίλτρα διέλευσης ζώνης κλπ Η τεχνική των παθητικών συστηµάτων CWDM χρησιµοποιείται για διασύνδεση οικιών µε σχετικά φθηνό τρόπο.

36 Θέµατα CDWM: Water peak στην περιοχή E-Band In principle installation possible on existing single-mode G.652 optical fibres and on the recent 'water peak free' versions of the same fibre. Το θέµα σχετικά µε την βιωσιµότητα της ενισχυµένης χωρητικότητας (capacity) εξ αιτίας του φαινοµένου water peak που παρουσιάζεται στα 1383 nm, παραµένει ακόµη υπό διερεύνηση.

37 CDWM Details Ευέλικτη και κλιµακούµενη λύση για την µεταφορά 8 έως 16 οπτικών καναλιών µε χρήση µόνο δύο οπτικές ινών εξυπηρετώντας δύο ταυτόχρονες κατευθύνσεις µετάδοσης Μεταφορά έως 8+8 οπτικά κανάλια µε χρήση µόνο µίας οπτικής ίνας και για εξυπηρέτηση δύο κατευθύνσεων. Υποστηρίζει ρυθµό 2,5 Gbit/s, αλλά επίσης έχει προστεθεί και παρέχει υποστήριξη µε ρυθµό 1,25 Gbit/s, κυρίως για συνεργασία µε εφαρµογές δικτύων Gigabit Ethernet. ύο ενδεικτικές αποστάσεις διασύνδεσης καλύπτονται µε την οδηγία G.695: µια διασύνδεση καλύπτει απόσταση µέχρι περίπου 40 χλµ ενώ η δεύτερη καλύπτει αποστάσεις µέχρι περίπου 80 χλµ. 8 Ch Mux/Demux CWDM card

38 Γιατί να χρησιµοποιήσουµε CWDM; H τεχνολογία CWDM είναι φθηνότερη καιαπλούστερηέναντιτης DWDM, εκτιµάται οικονοµία της τάξεως έως του 30% Γιατί η τεχνολογία CWDM είναι πιο αποδοτική; more cost effective? Χρησιµοποιεί φθηνότερα lasers. Τα Lasers που χρησιµοποιούνται απαιτούν λιγότερο ακριβή έλεγχο µήκος κύµατος. Παθητικά εξαρτήµατα όπως πχ οι multiplexers, είναιφθηνότερα Ταεξαρτήµατα CWDM χρησιµοποιούν µικρότερο χώρο στο on PCBs µικρότεροκόστος DFB laser, -σεσυνήθηθερµοκρασία, ολίσθηση 0.08 nm/ ο C Σε θερµοκρασία 70 0 C ολίσθηση ~5.6 nm

39 Μετακίνηση από τεχνολογία CWDM στην DWDM A clear migration route from CWDM to DWDM is essential Η µετακίνηση θα συµβεί όταν ζητηθεί πολύ µεγάλο εύρος ζώνης σε συνδυασµό µε µειωµένο κόστος των συσκευών DWDM Η αλλαγή θα πρέπει να προβλέψει την αντικατάσταση των ζωνών CWDM µε χρήση συγκεκριµένου µέρους ζώνης (band) του DWDM πλέγµατος May render DWDM band specs such as S, C and L redundant?

40 Πλεονεκτήµατα Τεχνολογίας WDM Μεγάλο εύρος ζώνης - Με την συµβατική οπτική τεχνολογία : 2,5 Gbps ανά Οπτική ίνα - Με τεχνολογία WDM φθάνουµε µέχρι και 100 φορές περισσότερο - Εξελίσσεται σε εύρος ζώνης της τάξεως Terabit/sec Μετάδοση σε µεγάλες αποστάσεις - Για µεγάλες αποστάσεις χρησιµοποιείται η τεχνική DWDM - Για αποστάσεις µέχρι Km δεν χρειάζονται οι κλασσικές Οπτικοηλετρονικές διατάξεις (Ο-Ε-Ο). - Χρησιµοποιούνται απλοί οπτικοί ενισχυτές - Με χρήση οπτικών ενισχυτών φθάνουµε σε εξαιρετικά µεγάλες αποστάσεις

41 ΤΕΙΗΠΕΙΡΟΥ Έστω διασύνδεση 360 Km a. σύνδεση κλασσική SONET/SDH 4 ζεύγη οπτικών ινών b. σύνδεση µε τεχνολογία WDM 1 ζεύγος οπτικών ινών x9=36 Επαναλήπτες (Regenerators) - 4 ζεύγη Οπτικών ινών x 120 Km 360 Km 2 Ενισχυτές (Amplifiers), 1 ζεύγοςοπτικώνινών x

42 DWDM Connection