Transcript Prostowniki małej mocy

WDM
Paweł Trojanowski 149167
WDM - Transmisja wielofalowa
W obliczu gwałtownego wzrostu dostępu do Internetu i
wzrastającego popytu na szybką transmisję danych i wideo,
dostawcy usług starają się rozszerzyć pojemność
informacyjną swoich sieci światłowodowych. Z wielu
dostępnych opcji DWDM daje obietnicę rozwiązania
najszybszego oraz uzasadnionego technicznie i
ekonomicznie. W niektórych regionach świata tylko sam
dostęp do Internetu wzrasta 300% rocznie. Dodając do tego
faksy, wielokrotne linie telefoniczne, modemy,
telekonferencje, transmisję danych i wideo, powoduje
potrzebę znacznego zwiększenia przepływności
informacyjnej dalekosiężnych sieci szkieletowych oraz
szybkich lokalnych sieci dostępowych.
Wzrost zapotrzebowania na szerokość pasma,
będący efektem zwiększającej się ilości danych,
wymusza konieczność zwiększania pojemności sieci
szkieletowych. Można oczywiście instalować nowe
linie światłowodowe, wiąże się to jednak z dużymi
nakładami czasu i kosztów. Rozwiązaniem
szybszym i bardziej ekonomicznym jest bardziej
efektywne wykorzystanie istniejących łączy
światłowodowych poprzez zastosowanie aktywnej
technologii multipleksacji.
Istotnym ograniczeniem dawnych generacji systemów łączności
światłowodowej jest obecność regeneratorów elektronicznych w
celu kompensacji strat mocy optycznej oraz poszerzenia impulsów
powodowanych dyspersją. Przezroczystość światłowodu kwarcowego
jest znakomita w szerokich zakresach drugiego i trzeciego okna
optycznego, co teoretycznie umożliwia realizację tzw. „eteru
optycznego” w pojedynczym włóknie światłowodowym:
jednoczesnej transmisji we włóknie wielu optycznych fal nośnych o
różniących się częstotliwościach, z których każda stanowi odrębny
kanał transmisyjny, o szybkości transmisji np. 2,5 Gb/s. Wtedy
przepływność sumaryczna włókna ulega zwielokrotnieniu tyle razy
ile jest fal nośnych i np. przy 20 falach wynosi 20 x 2,5Gb/s = 50
Gb/s. Mówimy wtedy o technice zwielokrotnienia z podziałem
długości fali WDM (Wavelength Division Multiplexing). Technika ta
staje się realna, gdyż są spełnione dwa jej podstawowe wymogi:
- dostępne są lasery jednoczęstotliwościowe o wąskim widmie i
stabilnej częstotliwości oraz dostępne są elementy służące do
multipleksacji i demultipleksacji fal o różnych długościach.
Technika WDM daje zatem możliwość wielokrotnego zwiększenia
przepustowości istniejącego okablowania światłowodowego. Jej alternatywą
może być układanie następnych kabli światłowodowych, ale, po co?
Niestety, istotnym ograniczeniem transmisji WDM zastosowanej w
systemach drugiej lub trzeciej generacji, z elektroniczną regeneracją
sygnału, jest właśnie regenerator elektroniczny. Mianowicie, przy
długościach łączy przekraczających odległość międzyregeneratorowe,
kiedy impulsy należy regenerować, być może wielokrotnie, należałoby
na każdej stacji regeneratorów demultipleksować strumień informacji i
kierować na poszczególne regeneratory pojedyncze kanały
informacyjne, czyli poszczególne długości fali. Powodem jest to, że
regenerator elektroniczny jest w stanie regenerować tylko pojedynczy
ciąg bitów informacji. W efekcie poza zwielokrotnieniem liczby
regeneratorów odpowiednio do liczby transmitowanych długości fali, na
każdej stacji regeneratorowej należałoby dokonywać kosztownych
operacji demultipleksacji i multipleksacji. Z drugiej strony,
ograniczenie transmisji WDM tylko do odległości miedzy
regeneratorowych, a więc relatywnie krótkich, jest w sprzeczności z
wymogami istniejących sieci telekomunikacyjnych, gdzie najwyższe
przepustowości są potrzebne na łączach najdłuższych, a więc łączach
międzynarodowych.
Konieczność regeneracji sygnału optycznego w długich łączach
światłowodowych wynika z tłumienności łączy i ich dyspersji. Jeżeli
tłumienność jest zasadniczym problemem, (czyli poszerzenie dyspersyjne
impulsów jest niewielkie lub może być kompensowane innymi metodami),
wtedy znakomitym sposobem rozwiązywania opisywanego problemu jest
zastosowanie wzmacniacza optycznego w miejsce regeneratora
elektronicznego.
Zastosowanie wzmacniaczy optycznych w torze światłowodowym, a
szczególnie wzmacniaczy światłowodowych EDFA umożliwiło realizacje
czwartej generacji światłowodowych systemów łączności,
wykorzystującej transmisję WDM. Technika ta osiągnęła obecnie
dojrzały poziom eksperymentów laboratoryjnych i należy oczekiwać w
najbliższych latach jej masowego zastosowania w łączach użytkowych.
Umożliwia ona poprzez zwielokrotnienie falowe, osiąganie
imponujących łącznych przepustowości transmisyjnych włókna. Dla
przykładu dane zostały przesłane z zastosowaniem 4 wzmacniaczy EDFA
17 kanałów WDM o szybkości transmisji 20Gb/s każdy na odległość
150km. Daje to łączną szybkość transmisji 340 Gb/s = 0,34Tb/GB.
Magiczną granice jednego terabita na sekundę przekroczono w Japonii
w roku 1996: przesłano na odległość 120km 132 kanałów WDM z
szybkością 20 Gbit/s na kanał, co dało łączną szybkość transmisji równą
2,64 Tb/s.
Istotnymi zagadnieniami przy realizacji transmisji wielofalowej
WDM są:
- Multipleksacja falowa po stronie nadawczej, polegająca na
wprowadzeniu do włókna, światła o różnych długościach fali.
- Demultipleksacja po stronie odbiorczej, polegająca na
rozdzieleniu poszczególnych długości fali.
Jest wiele możliwych sposobów realizacji multipleksacji i
demultipleksacji kanałów WDM. Dalej omówiono
multipleksację z wykorzystaniem zintegrowanej matrycy
laserów oraz demultipleksację z wykorzystaniem
falowodowych układów fazowych.
Zintegrowana matryca laserów półprzewodnikowych jest
pokazana na rys 6.2. Indywidualne lasery emitują różne
długości fali, natężenie światła jest modulowane również
w sposób indywidualny, aby zakodować informację na
poszczególnych długościach fali. Te długości fali są
wprowadzane do wspólnego wyjścia i kierowane do łącza
światłowodowego. Rolę multipleksera pełni odpowiednio
ukształtowany falowód planarny.
Falowodowe układy fazowane znane też pod nazwą AWG lub Phasar są
falowodowym odpowiednikiem znanych w optyce fazowych siatek
dyfrakcyjnych. Widok układu AWG pokazany jest na rys 6,3. Rolą układu
fazowanego jest selektywne rozdzielenie sygnału do różnych wyjść układu w
zależności od długości fali. Układ fazowany rozdziela więc sygnał wielofalowy
zupełnie podobnie jak pryzmat lub siatka dyfrakcyjna. Zasadniczy element
układu fazowanego tworzą paskowe falowody optyczne zakrzywione w łuku o
różnych długościach. W wyniku różnych długości łuków światło o danej długości
fali przechodząc przez układ doznaje różnych opóźnień fazowych w różnych
falowodach. W efekcie front fazowy, (czyli powierzchnia stałej fazy) na wyjściu
układu jest skierowany pod pewnym kątem, którego wartość jest funkcją
opóźnień fazowych. Z kolei wartość opóźnień fazowych zależy od długości fali,
np. dla fal krótszych opóźnienia te będą większe. Sygnał na danej długości fali
trafia, więc w pewien punkt wyjścia układu, oczywiście powinien się tam
znajdować falowód wyjściowy. Układ fazowany jest konstruowany odpowiednio
do długości fal biorących udział w transmisji i powinien je selektywnie
rozdzielać. Jednakże jest to demultiplekser analogowy, a więc przesłuchy
międzykanałowe są nieuniknione.
Jeżeli teraz odwrócimy kierunek rozchodzenia się światła
i przyjmiemy, że do falowodów wyjściowych wchodzą
wiązki światła o odpowiednich długościach fali, to te
długości fal przejdą do falowodu rozważanego uprzednio
jako wejściowy. Układ fazowany może pełnić, więc
również rolę multipleksera długości fali.
Układ fazowany może mieć wiele wejść i
wyjść optycznych, jak na ryr 6,3. Jeżeli
liczba wejść i liczba wyjść są równe N,
długości fal WDM, to układ fazowany
realizuję N x N połączeń (każde z wejść
niesie N fal, które są rozdzielane w sposób 1
x N).
Należy podkreślić, że układ fazowany jest
elementem biernym i kieruje sygnały optyczne
odpowiednio do ich długości fali. Trudność
techniczną stanowi staranne wykonanie układu
fazowanego odpowiednio do długości fal biorących
udział w transmisji, a także konieczność
utrzymania takich długości fali w czasie transmisji.
Odchylenia długości fal od wartości założonych są
przyczyna przesłuchów międzykanałowych (część
sygnałów na danej długości fali trafia do wyjścia
przeznaczonego dla innej długości fali). Oznacza to
potrzebę normalizacji długości fal biorących udział
w transmisji WDM.
Transmisja WDM punkt-punkt
Jest to jedno z najprostszych zastosowań WDM, na które
zwrócono uwagę już we wczesnych latach
siedemdziesiątych, w początkach łączności
światłowodowej. Transmisja na wielu długościach fali
jednocześnie miała zapewnić zwielokrotnienie szybkości
transmisji. Istotną trudność tej koncepcji stwarza problem
elektronicznej regeneracji sygnałów: sygnał musi być
zdemultipleksowany każdorazowo przed poddaniem go
regeneracji, a następnie multipleksowany dla transmisji.
Idea ta została zarzucona wobec wzrostu szybkości
działania elementów elektronicznych i zwiększenia
szybkości transmisji metodą zwielokrotnienia czasowego
TDM.
Transmisja WDM w sieciach rozpowszechniania z
odbiorem selektywnym
Bardziej zaawansowana koncepcja sieci WDM rozpowszechniających z
odbiorem selektywnym nawiązuje do klasycznych możliwości transmisji
radiowej. Oznacza ona próbę stworzenia „eteru optycznego” w
pojedynczym włóknie światłowodowym. Opiera się ona na analogii z
transmisją radiową: jeżeli w danym obszarze geograficznym mamy do
dyspozycji pewną liczbę N długości fal radiowych, ograniczoną z uwagi
na konieczność dostatecznego odseparowania w celu uniknięcia
przesłuchów, to możemy w tym obszarze realizować N transmisji.
Sygnał od każdej stacji jest emitowany w całą przestrzeń, a odbiorniki
dostrajają się do długości fali pożądanej stacji nadawczej z użyciem
przestrajalnych filtrów nieprzepuszczających innych długości fali poza
pożądaną. Jeżeli węzły takiej sieci telekomunikacyjnej mają
jednocześnie pełnić funkcję nadawczo-odbiorcze, to, aby uniknąć
natłoku liczba węzłów nie może być większa od liczby długości fali N.
Transmisja WDM w sieciach rozpowszechniania z
odbiorem selektywnym
Analogiczna światłowodowa sieć wykorzystująca koncepcję „eteru
optycznego” jest przedstawiona na rys 6,4. Sieć ma zalety w postaci
„przezroczystości” połączenia, wynikającej z braku pośrednich
elementów elektronicznych pomiędzy nadajnikiem a odbiornikiem.
Format modulacji jest, więc określony tylko przez właściwości danej
pary węzłów aktualnie się komunikujących. W całej sieci mogą
jednocześnie realizować się połączenia o różnej szybkości transmisji,
cyfrowe i analogowe. W ten sposób kompletny zestaw połączeń może
być realizowany w sieci o prostej konfiguracji gwiazdy. Istotnym jednak
ograniczeniem rozległości takiej sieci jest liczba dostępnych długości
fali, zawierająca się w granicach od 16 do 32, stąd wynika poważne
ograniczenie dla skalowalności sieci.
Sieci tego typu są rozważane dla połączeń komputerowych,
komputerowych sieciach lokalnych i metropolitalnych, jednakże
możliwości ich zastosowania w sieciach rozległych, są poważnie
ograniczone z uwagi na brak pożądanej skalowalności.
Współczesny system światłowodowy WDM
Optyczne zwielokrotnienie kanałów zwiększa pojemność łącza
Zalety:
- Przezroczysty dla różnych przepływności i rodzajów modulacji
- Jeden wzmacniacz na włóknie dla wielu kanałów
- Duża odległość między regeneratorami powyżej 140km
Wady:
-
Akumulacja zniekształceń i szumów
• Sieć transportowa przenosi ruch
zagregowany z sieci dostępowych i
niektóre przewidywania mówią o
konieczności przepustowości łączy
światłowodowych rzędu 1Tb/s do roku
2010, rosnące do 10Tb/s do roku 2015.
Przewiduje się, że systemy DWDM wejdą masywnie na
rynek, nie tylko dalekosiężny, ale przede wszystkim
zastosowań metropolitalnych, lokalnych i prywatnych sieci.
Niektóre firmy ogłaszają programy wdrożenia systemów
40Gb/s zwielokrotnionych optycznie na istniejące
jednokrotne systemy 2,5Gb/s. W takich sieciach będzie
możliwe multipleksowanie do wybranych grup
użytkowników lub usług na indywidualnych pasmach
falowych. Sieci szerokopasmowe staną się łatwiejsze do
utrzymania, eksploatacji i zarządzania. Operatorzy sieci
będą mogli dzierżawić bezpieczne długości fal i zapewniać
multipleksowanie dostępowe, routowanie optyczne, co
zwiększy niezawodność i zarządzalność sieci.
Sieci optyczne stają się rzeczywistością. Celem w
przyszłości jest sieć całkowicie optyczna wolna od
konwersji opto-elektrycznej. Dzisiaj gęste systemy
WDM zapewniają pojemność bez kosztów kładzenia
dodatkowych kabli optycznych. Liczba dzisiaj
dostępnych kanałów nie zatrzyma się na takim
poziomie. W niedalekiej przyszłości sieci optyczne
będą posiadać bezpośrednie interfejsy ze znaczną
różnorodnością protokołów transmisyjnych, łącząc
wiele kanałów o różnych długościach fali.
Wraz z rozszerzeniem zastosowań sieci optycznych i akceptacji szerokich
standardów, technika ta doprowadzi do zasadniczej redukcji jednostkowych
kosztów transmisji. Wielokrotne rozgałęźniki optyczne i multipleksery WDM
doznają stopniowych znacznych redukcji cen. Wraz z maleniem cen nowe
rozwiązania Systemowe penetrują rynki lokalne takie jak korporacyjne sieci
danych. W takich sieciach technologia DWDM oferuje wysoko efektywne użycie
istniejącej infrastruktury światłowodowej. Początkowo WDM było zbyt
kosztowne dla sieci metropolitalnych. Znaczne obniżki cen w tym zakresie i
poprawa możliwości zarządzania siecią ze zwielokrotnieniem optycznym
spowodowały ogromne przyspieszenie zastosowań. W następnych latach
będziemy świadkami dalszego szybkiego rozwoju techniki DWDM, głównie
napędzanego wzrostem Internetu, Intranetów i Extranetów, Szerokopasmowych
usług i szybkich międzynarodowych usług transmisji danych.
Literatura:
• Ryszard S. Romaniuk - „DWDM Technologia,
Pomiary, Eksploatacja, Rozwój”
• Marian Marciniak – „Łączność
światłowodowa”
• Internet