Sieci teletransmisyjne WDM (DWDM)

Ewolucja optycznego przesyłania danych

W technice światłowodowej można wyodrębnić kilka etapów ewolucji przesyłania danych:

• standardowe przesyłanie informacji światłowodami z użyciem tzw. regeneratorów sygnału - układów elektronicznych instalowanych w torze światłowodowym w celu rozgałęzienia tego toru bądź zwiększenia zasięgu sieci optycznej. Regenerator dokonuje konwersji optyczno-elektrycznej i elektryczno-optycznej. W trakcie tych dwóch operacji dochodzi do odtworzenia mocy (Regeneration), kształtu (Resharping) i parametrów czasowych (Retiming) przesyłanego sygnału.

• poszukiwanie nowych rodzajów światłowodów o jak najmniejszej tłumienności oraz dyspersji,

• zastąpienie wspomnianych wcześniej regeneratorów wzmacniaczami optycznymi EDFA (Erbium-Doped Fibre Amplifier) - „opartymi na światłowodzie z domieszką erbu i wzmacniającymi bezpośrednio sygnał optyczny (ok. 30dB) - bez potrzeby konwersji na postać elektryczną.” Dzięki EDFA możliwa stała się transmisja przez kilkadziesiąt lub nawet kilkaset kanałów transmisyjnych, ulokowanych w jednym włóknie światłowodu, z wykorzystaniem zjawiska zwielokrotnienia falowego WDM (Wavelength Division Multiplexing).

Inaczej rzecz ujmując, jeszcze w pierwszej połowie lat 90 światłowodowe systemy transmisyjne charakteryzowały się przepływnością 2,5 Gb/s i odległościami między kolejnymi regeneratorami sięgającymi 150-200 km. Przepływność można było zwiększyć dwoma sposobami:

• Poprzez powielenie liczby kabli optycznych (nadal o przepływności 2,5 Gb/s),

• Poprzez zwiększenie szybkości w poszczególnych włóknach nawet do 10 Gb/s lub większej, dzięki wykorzystaniu początkowo techniki zwielokrotniania z podzialem czasowym TDM (Time Division Multiplexing) - „stanowiące jeden z najbardziej popularnych sposobów zwielokrotnienia liczby kanałów utworzonych przez jedno fizyczne łącze transmisyjne. Polega na umownym podziale kanału transmisyjnego na szereg następujących po sobie szczelin czasowych tworzących ramkę i przyporządkowanych wielu użytkownikom lub różnym urządzeniom komunikacyjnym sieci. [Rys. 8]”

Dzięki TDM w jednym kanale włókna optycznego można osiągnąć przepływność 10, 20 lub 40 Gbit/s.

Np. jeden standardowy kabel światłowodowy, zawierający 200 włókien optycznych umożliwia przekaz od 15 do 60 mln rozmów telefonicznych.

Jednak jeszcze większe możliwości transmisyjne dają najnowsze rozwiązania ze zwielokrotnianiem falowym WDM, a także DWDM i UWDM.

Definicja zwielokrotnienia WDM

WDM to „sposób falowego zwielokrotnienia przepływności światłowodu przez równoległą, równoczesną i niezależną transmisje wielu kanałów optycznych, czyli laserowych promieni świetlnych o róznych długościach fali (transmisja kolorowa), prowadzonych w jednym włóknie światłowodowym [Rys.9]. Zwyczajowo przyjmuje się, że zwielokrotnienia kilku fal w jednym oknie włókna światłowodowego oznacza się jak WDM, notomiast zwielokrotnienia o większej gęstości...” to przedstawione dalej DWDM i UWDM.

System transportowy DWDM jest używany do transmisji wszelkiego rodzaju sygnałów głosu, obrazu, danych, pakietów IP i ATM, jak również modułów transportowych SDH i SONET.

Rodzaje zwielokrotnienia WDM

Stosowane następujące rodzaje zwielokrotnienia:

• CWDM (Coarse WDM) - określany jako gruboziarnisty WDM. Cechuje go szeroki odstęp międzykanałowy i rzadkie zwielokrotnienie. Pozwala na jednoczesną transmisję do 4 niezależnych kanałów optycznych o przepływności ok. 1,25 Gb/s (2,5 Gb/s) każdy. Technologia CWDM pozwala na uzyskanie taniego (bez potrzeby stosowania zaawansowanych i drogich podzespołów optycznych, takich ja lasery o wysokiej stabilności, czy wzmacniacze EDFA) dostępu bezpośrednio do abonenta końcowego przy odległościach sięgających co najwyżej kilkudziesięciu kilometrów.

• DWDM (Dense WDM) - określany jako gęsty WDM. Cechuje go większa liczba kanałów i mniejszy odstęp międzykanałowy (0.8 nm).

• UWDM (Ultra WDM) - określany jako ultra gęsty WDM. Cechuje go (w porównaniu z DWDM) jeszcze większa liczba kanałów i mniejszy odstęp międzyfalowy (0.4 nm lub mniejszy). Za pomocą systemów UWDM uzyskuje się komercyjnie przepływności do kilku Tb/s. Natomiast liczba kanałów w pojedynczym włóknie sięga 320.

Zalety technologii WDM

Do najbardziej istotnych zalet technologii WDM należą:

• możliwość stopniowej rozbudowy istniejącego systemu transmisji danych, bez konieczności wymiany torów światłowodowych,

• całkowita niezależność kanałów optycznych, co umożliwia prowadzenie przekazów w różnych formatach transmisyjnych,

• osiąganie wysokich przepływności binarnych,

• brak potrzeby stosowania dodatkowych sygnałów zegarowych czy synchronizacji przy zwiększaniu liczby kanałów optycznych,

• wzmacnianie wszystkich kanałów transmisji przy pomocy jednego wzmacniacza optycznego,

• możliwość tworzenia wielokanałowych połączeń dwupunktowych przydatnych w przekazach dalekosiężnych.

Światłowodowe aplikacje

Platformy SONET/SDH

W sieciach teletransmisyjnych SONET/SDH stosuje się przy wyższych przepływnościach światłowody. Ponadto rozwiązania SONET/SDH uzupełniono o technologię zwielokrotnienia DWDM w celu zwiększenia pojemności traktów światłowodowych. Przypomina się, że rozszerzenia przepływności pojedynczego kanału optycznego dokonuje się przez zwielokrotnianie TDM (10-40 Gb/s), natomiast podniesienia przepływności całego włókna światłowodowego (1-10 Tb/s) dokonuje się poprzez zwielokrotnianie WDM (CWDM,DWDM,UWDM).

Platformy optyczne szkieletu sieci

Istnieją dwa typy platform optycznych:

• do transmisji długodystansowych

• do lokalnych zastosowań kampusowych.

Na krótkich dystansach (do 100 km) - w miejskich i kampusowych sieciach MAN (Metropolitan Area Network)/LAN (Local Area Network) i w połączeniach lokalnych koszty są niższe, dlatego najczęściej jest wdrażany system CWDM.

W technologiach dalekosiężnych sieci wykonuje się zarówno w technologie pierścieniową i kraty [Tab.1]. Obydwie te technologie nie są jednak optymalne do skalowania przepływności sieci lokalnej. Zwiększenie przepływności między węzłami klasycznej topologii pierścieniowej pociąga konieczność rozbudowy przepustowości całego pierścienia. Z kolei w technologii kraty zawsze występuje nierównomierne wykorzystanie poszczególnych łączy. Optymalizację ruchu w sieciach miejskich zapewniają bardziej złożone struktury, tzw. systemy dwupoziomowe (hierarchiczne, wielopoziomowe), w których transport realizują odrębne sieci optyczne. Do transportu danych na duże i bardzo duże odległości w najbliższych latach ma nadal służyć platforma transportowa SDH (kontynuacja systemu optycznego SONET), oparta na technologii wielofalowej DWDM i przezroczystych sieciach optycznych.

W aplikacjach sieciowych spotyka się dwa warianty rozwiązań infrastruktury optycznej:

• Prostsza i tańsza, która umożliwia tworzenie klasycznych, dwukierunkowych torów pierścieniowych za pomocą jednej pary (dwóch włókien) światłowodów. Koszty instalacyjne są niższe, ale niezawodność całego systemu ograniczona.

• Odporny na awarie, w pełni rekonfigurowany pierścieniowy system optyczny, zawierający nie mniej niż dwie pary światłowodów (tor podstawowy i redundacyjny), z których jedna pozostaje w pełnej gotowości komunikacyjnej. W zależności od potrzeb stosuje się pierścienie optyczne o różnej przepływności od STM-1 (155 Mb/s) dla instytucji i przedsiębiorstw (lokalne zastosowania) do STM-256 (40 Gb/s) dla operatorów w rozwiązaniach długodystansowych

Niezawodność optyczna i bezpieczeństwo transmisji

Jednym z wymogów dobrze zaprojektowanej sieci SDH jest możliwość przywrócenia przerwanej usługi w ciągu 50 ms. Stosowane obecnie mechanizmy zabezpieczające w urządzeniach IP i ATM nie pozwalają jeszcze na uzyskanie takiego poziomu. Od niedawna sieć optyczna jest zabezpieczana poprzez:

• przeniesienie mechanizmów zabezpieczeń do urządzeń pakietowych i korzystanie z powtórnego trasowania przez sieć,

• dodanie prostych mechanizmów przełączających wewnątrz systemów DWDM, które są uaktywniane przy zaniku sygnału podstawowego w łączu optycznym,

• stosowanie przełączników cyfrowych ze zwielokrotnieniem czasowym TDM,

• stosowanie automatycznych przełączników traktów optycznych OXC (Optical Cross Connect), znajdujących się wewnątrz szkieletowych sieci optycznych. Sieci wyposażone w OXC mają najlepsze właściwości od strony bezpieczeństwa transmisji. W odróżnieniu od przełaczników TDM urządzenia OXC pozwalają jedynie na przeźroczyste przełaczanie strumieni optycznych (co jest ich podstawową funkcją) bez jakiejkolwiek ingerencji w strukturę przełączanego sygnałuIch implementacja w newralgicznych punktach sieci optycznej zapewnia możliwość przekierowania strumieni danych pakietowych między wybranymi lokalizacjami sieci. Taka elastyczność w strukturach połączeń w warstwie optycznej pozwala na szybkie i automatyczne nadążanie za zmianami konfiguracji sieci oraz zapewnia uzyskanie poziomu bezpieczeństwa przesyłanych danych wymaganego przez operatora sieci.

Przyczyną większości awarii w sieciach szkieletowych nie jest zła jakość, lecz przerwanie funkcjonowania łącza. Utrzymanie niezawodności połaczeń optycznych DWDM na poziomie blisko 100 % wymaga zastosowania wielu mechanizmów protekcyjnych. Wyróżnia się 3 sposoby zabezpieczeń przed awarią:

• Protekcja toru liniowego obejmująca wszystkie transmitowane wewnątrz kanały optyczne DWDM, a w razie wystąpienia awarii system przełącza transmisje na włókno zapasowe (poprowadzone między węzłami sieci);

• Protekcja kanałów optycznych dotycząca jedynie wskazanych długości fal λ we włóknie. W razie awarii system protekcji przełącza transmisję z uszkodzonych kanałów optycznych λ na inne długości fal;

• Protekcja kompletnego traktu lub całego kanału między użytkownikami końcowymi. Wszystkie elementy transmisji optycznej są podwojone lub zwielokrotnione.

Sieci optyczne w Polsce

Podstawową infrastrukturę sieci optycznych DWDM w Polsce tworzą sieci szkieletowe znajdujące się w gestii największych operatorów:

• TP S.A.

• Tel-Energo(sieć światłowodowej energetyki)

• Energis Polska(sieć resortu kolejnictwa)

Pozostali operatorzy korzystają z własnych łączy lub dzierżawią część największych sieci. Na światłowodowej infrastrukturze implementuje się technologie SDH, ATM lub MPLS/IP.

Początek DWDM w Polsce miał miejsce w roku 2000, kiedy przeprowadzono eksperymentalną transmisję z prędkością 640 Gbit/s na trasie Poznań-Wrocław.

Najdłuższą kablową infrastrukturą optyczną dysponuje TP S.A. (ponad 11 tysięcy km), która rozbudowuje szkieletową sieć transmisyjną SDH (Alcatel), wykorzystując urządzenia zwielokrotnienia DWDM (Lucent Technologies). Szybkość transmisyjna w każdym użytkowanym włóknie może być zwiększona do nawet 80 Gb/s. TP S.A. ma realizować transmisje długodystansowe w 2 sieciach usługowych:

• Komutowanej PSTN (strumienie cyfrowe STM)

• Pakietowych Polpak(X.25) i Polpak-T(protokoły ATM i Frame Relay)

Drugą co do wielkości krajową sieć optyczną dysponuje konsorcjum Tel-Energo [Rys.10]. Sieć szkieletowa ma długość 8,5 tys. km i jest wyposażona w urządzenia STM. Projektowana obecnie sieć szkieletowa ma przepływność 320 Gb/s, z możliwością rozszerzenia do 640 Gb/s. Jako platformy transportowe będą stosowane technologie ATM i IP oraz tradycyjne rozwiązania SDH.

PKP ma własną sieć optyczną o długości ponad 5 tys. km i jest ona prowadzona wzdłuż szlaków kolejowych. Szkielet sieci stanowi szereg pierścieni, wyposażonych w urządzenia SDH oraz starsze rozwiązanie PDH. Planowana jest modernizacja sieci, tj. instalacja platformy optycznej z 32-kanałowym DWDM na odcinkach o długości 750 km. Światłowodową sieć PKP użytkuje konsorcjum Energis Polska. Dzierżawi ono część włókien w szkielecie sieci PKP i rozwija transmisje multimedialne. Krajowa sieć optyczna Energis Polska jest ukierunkowana na szybki dostęp do Internetu, ma bezpośrednie połączenie z ogólnoeuropejską siecią szkieletową Energis, o długości około 30 tys.km.

Tendencje przyszłościowe

Dostrzegalne są następujące tendencje przyszłościowe w zakresie sieci teletransmisyjnych (D)WDM:

• rozwój metod zwielokrotniania WDM skutkujący zwiększeniem liczby kanałów w pojedynczym włóknie światłowodowym,

• rozwój technologii wytwarzania światłowodów - wzrost przepływności w obrębie pojedynczych kanałów,

• rozwój kompleksowego zarządzania platformą optyczną oparetgo na QoS, nawet za cenę obniżenia przepływności użytkowej. Optyczne platformy zwielokrotnienia falowego muszą posiadać umiejętność oceny jakości poszczególnych kanałów i włókien w łączu światłowodowym. Winny mieć również zdolność natychmiastowego i automatycznego podjęcia decyzji o przełaczeniu strumieni przesyłanych danych na inne kanały bądź trakty, a w razie istotnego pogorszenia się warunków transmisji (z całkowitą utratą połaczenia włącznie) - uzgodnić alternatywne drogi przekazu.

To wszystko sprawia, że w 2006 r. dominującymi na świecie systemami transportowymi mają być wielokanałowe platformy optyczne DWDM z interfejsami SONET/SDH [Rys.11].

ILUSTRACJE:

Rys.7: Tłumienność światłowodu kwarcowego.

Rys.8: Ilustracja zwielokrotnienia TDM.

Rys.9: Ilustracja zwielokrotnienia WDM.

Rys.10: Sieć szkieletowa Tel-Energo.

Rys.11: Rynek wyposażenia optycznego.

Tab.1: Podstawowe cechy sieci optycznych.

LITERATURA:

[1] Urbanek A.: Ilustrowany leksykon teleinformatyka. IDG, Warszawa 2001.

[2] Vademecum Teleinformatyka II. IDG, Warszawa 2002.

Rys.7

Rys.8

Rys.9

Rys.10

Rys.11

Tab.1

Tłumienność światłowodu to - „czynnik zmniejszający moc promienia świetlnego prowadzonego wewnątrz włókna światłowodowego, lecz nie zmieniający kształtu przesyłanego sygnału. Ze wzrostem długości łącza tłumienie rośnie i w końcu ogranicza maksymalny zasięg transmisji sygnałów optycznych. Do kompensacji tłumienia stosuje się wzmacniacze optyczne...Dla [najczęściej stosowanych w telekomunikacji] światłowodów kwarcowych wartość tłumienia zależy od długości fali promienia optycznego - stąd wyróżnia się 3 częstotliwościowe okna transmisyjne...” z [1], str. 235. Okna transmisyjne - przedziały długości fal o obniżonej tłumienności [Rys. 7].

Parametr włókna światłowodowego określający jego przydatność do transmisji długodystansowej. Istnieje wiele rodzajów dyspersji. Zjawisko to prowadzi między innymi do poszerzenia transmitowanych impulsów.

Cytat z [1], str. 265.

Jak wyżej, str. 227.

Tekst występujący w tego typu szacie graficznej nie jest materiałem wymaganym na kolokwium.

Cytat z [1], str.257 - 258.

Wyróżnia się protekcję typu 1:n lub m:n

Punkt nie obowiązuje na kolokwium.

Technologia ATM stanowiąca m.in. podstawę sieci szkieletowej miasta Szczecina zostanie przedstawiona na późniejszych zajęciach.

X.25 - protokół będący podstawą tworzenia komputerowych sieci pakietowych i gorszej jakości sieci rozległych (ponieważ dobrze pełni on swoje funkcje tylko przy niewielkim ruchu - każdy węzeł pośredniczący w łańcuchu połączeń przeprowadza pełną kontrolę błedów całego pakietu przed jego wysłaniem w dalszą drogę, co wprowadza stosunkowo duże opoźnienia przesyłek) o przepływności bitowej od 64 kb/s do 2 Mb/s, bazująca na tym protokole technika przełączania pakietów została wprowadzona w latach 60 w USA. Bardziej szczegółowo zostanie omówiona na dalszych zajęciach.

Frame Relay-technologia zapewniająca przekaz pakietowy z prędkością dochodzącą do 45 Mb/s. Szeroko wprowadzana w USA na początku lat 90, wyparła X.25 (ponieważ tutaj identyfikuje się adresata tylko w nagłowku pakietu, bez sprawdzania poprawności i kompletności przesyłki, stąd jej dużą zaletą są niewielkie opóźnienia w przekazie) i okazała się tańsza od ATM.

Termin zostanie omówiony na późniejszych zajęciach.

1

---