- Регистрация
- 23 Авг 2023
- Сообщения
- 3,969
- Реакции
- 0
- Баллы
- 36
Ofline
Возвращаясь к теме DWDM (Как построить DWDM-сеть в России https://habr.com/ru/articles/1008314/) решил написать небольшую информационную статью про саму технологию.
Оптическое волокно — это среда, по которой свет распространяется с минимальными потерями в определённом диапазоне длин волн. Идея спектрального уплотнения (WDM) проста: вместо одного луча света запускаем много лучей (каналов) с разными длинами волн. Обычно для длины волны используют термин лямбда. Они не мешают друг другу, как радиостанции на разных частотах.
DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing) — это «плотное» уплотнение, когда расстояние между соседними каналами минимально, чтобы уместить как можно большее количество лямбд в «окно прозрачности» волокна.
Пример схемы DWDM сегмента
1.Волокно.
Кварцевое оптическое волокно имеет несколько «окон прозрачности» — диапазонов, где потери минимальны.
Используемые диапазоны частот
Стандарты волокон:
2. DWDM-мультиплексор и SFP-модули
DWDM-мультиплексор (MUX) — это пассивное устройство, которое объединяет оптические сигналы с разных длин волн в одно волокно и разделяет их на приёмной стороне (DEMUX). Он не требует питания и не «знает», какая скорость передаётся.
Варианты подключения к мультиплексору.
Независимо от того, какое оборудование стоит на клиентской стороне, на входе мультиплексора (MUX) всегда должен быть цветной DWDM SFP, который формирует сигнал на строго определённой длине волны (лямбде). Разница в том, где именно установлен этот SFP.
Вариант 1. Клиентское оборудование с цветным SFP.
Если коммутатор или маршрутизатор имеет оптический порт и поддерживает цветные SFP, то цветной DWDM SFP вставляется непосредственно в клиентское оборудование. От него патч-корд идёт прямо в порт мультиплексора. В этом случае никаких дополнительных устройств не требуется.
Вариант 2. Клиентское оборудование с серым SFP.
Если клиентское оборудование использует стандартный «серый» SFP (например, 10G-LR с длиной волны 1310 нм), то его сигнал не может быть напрямую подан в мультиплексор, так как не попадает в DWDM-сетку. В этом случае между клиентским оборудованием и мультиплексором устанавливается транспондер (OTU).
Транспондер - это устройство (отдельная плата или коробка), которое:
Стандарты, которые используются в DWDM
3. Почему мультиплексор не привязан к скорости (и это важно).
MUX - это пассивное устройство, и ему безразлично, какая скорость передаётся на каждой длине волны (лямбде). В отличие от коммутаторов, чья пропускная способность ограничена внутренней матрицей коммутации, MUX не имеет таких ограничений и может пропускать одновременно каналы 10Гбит/с, 100Гбит/с и любые другие, пока они вписываются в выделенный спектральный интервал.
Что это даёт на практике:
Один мультиплексор - разные скорости. В 40- канальный мультиплексор можно одновременно установить 10 Гбит/с модули на одних лямбдах, 100 Гбит/с когерентные модули на других и оставить свободные порты.
Модернизация без замены оборудования. Если у вас уже стоит мультиплексор с сеткой 50 ГГц, вы можете заменить несколько 10-гигабитных SFP на 100-гигабитные (когерентные). Сам мультиплексор остаётся на месте.
Ограничение одно — спектральное. Каждая лямбда занимает определённую полосу. Если сигнал требует полосы шире, чем шаг сетки, он начнёт перекрываться с соседними каналами.
4. Когерентная технология: как 100 Гбит/с влезают в ту же полосу, что 10 Гбит/с.
Когерентная технология — это способ передавать данные, используя не только яркость света (амплитуду), но и его фазу и поляризацию.
Благодаря этому:
- 100 Гбит/с укладывается в стандартную сетку 50 ГГц (0,4 нм)
- Сигнал может идти на 1500+ км без регенерации — DSP компенсирует дисперсию и нелинейные искажения
- Один мультиплексор может работать и с «простыми» 10G, и с «когерентными» 100G
5. Усилители: как сигнал не затухает на сотнях километров.
Волокно имеет затухание в С-диапазоне от 0,2 до 0,35 дБ/км в зависимости от типа волокна, его возраста и качества прокладки. Для нового волокна G.652 типичное значение — около 0,2 дБ/км на 1550 нм. Без усиления сигнал ослабевает, что делает его непригодным для приёма.
Для компенсации потерь используют эрбиевые усилители (EDFA) . Они усиливают весь спектр каналов одновременно, работая в С-диапазоне, а при специальном исполнении — и в L-диапазоне.
Где размещаются усилители.
Шум усилителей (ASE).
EDFA усиливает сигнал, но неизбежно добавляет собственный шум - спонтанное излучение (ASE). Этот шум накапливается: чем больше усилителей в линии, тем ниже отношение сигнал/шум (OSNR).
Падение OSNR - главный фактор, ограничивающий дальность связи без переприема (то есть без преобразования сигнала в электрический и обратно). Когда OSNR падает ниже порога декодирования (для 100 Гбит/с это ~12–14 дБ), начинаются ошибки.
Что определяет количество усилителей:
- Длина линии — чем длиннее, тем больше требуется усилителей.
- Потери в волокне и пассивных компонентах - MUX/DEMUX, сварки, разъёмы.
- Требуемое качество сигнала - запас по OSNR, который закладывают проектировщики.
В зависимости от затухания и качества волокна пролеты между переприемами могут составлять несколько десятков километров (когда мы строили магистраль в 2002-2008 гг. у нас были максимальные пролеты по 170 км. Возможно сейчас больше).
Это основное, что нужно знать про принцип работы DWDM. А для тех, кто реально планирует использовать DWDM оборудование еще пара разделов.
5. Реальное оборудование: что дают производители.
Не всё так честно, как написано в документации. Реально ширина лямбды на выходе SFP чуть больше, чем 0,4 нм. Чтобы поместить её в сетку и не допустить перекрытия соседних каналов, излишки ширины отрезаются. Это делается с помощью оптических фильтров, встроенных в MUX (мультиплексор). Потери сигнала при такой фильтрации обычно составляют не более 1- 2 дБ. Но это напрямую влияет на максимальную длину участка линии до следующего переприёма: чем больше потери, тем короче может быть пролёт между усилителями.
В гибких сетках (flex-grid) производители закладывают запас — небольшое расстояние между лямбдами, чтобы сигналы не перекрывались даже с учётом хвостов.
К тому же существуют температурный дрейф, старение компонентов и другие причины, которые со временем могут потребовать более широкий зазор между лямбдами.
6. Почему возникают ошибки: шумы, помехи и накопление искажений.
Даже если вся аппаратура исправна и линия построена по всем правилам, ошибки всё равно могут возникать. Их причина — в физике распространения сигнала по волокну.
Основные причины ошибок
Для минимизации ошибок предусмотрены следующие действия:
Глоссарий:
Оптическое волокно — это среда, по которой свет распространяется с минимальными потерями в определённом диапазоне длин волн. Идея спектрального уплотнения (WDM) проста: вместо одного луча света запускаем много лучей (каналов) с разными длинами волн. Обычно для длины волны используют термин лямбда. Они не мешают друг другу, как радиостанции на разных частотах.
DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing) — это «плотное» уплотнение, когда расстояние между соседними каналами минимально, чтобы уместить как можно большее количество лямбд в «окно прозрачности» волокна.
Пример схемы DWDM сегмента
1.Волокно.
Кварцевое оптическое волокно имеет несколько «окон прозрачности» — диапазонов, где потери минимальны.
Используемые диапазоны частот
Стандарты волокон:
G.652 - самое массовое волокно. Оптимизировано под 1310 нм, но успешно работает и в С-диапазоне (1550 нм). В С-диапазоне требует компенсации хроматической дисперсии.
G.655 - со смещённой дисперсией, оптимизировано для DWDM.
G.654 - сверхнизкие потери, используется для подводных и магистральных линий.
2. DWDM-мультиплексор и SFP-модули
DWDM-мультиплексор (MUX) — это пассивное устройство, которое объединяет оптические сигналы с разных длин волн в одно волокно и разделяет их на приёмной стороне (DEMUX). Он не требует питания и не «знает», какая скорость передаётся.
Варианты подключения к мультиплексору.
Независимо от того, какое оборудование стоит на клиентской стороне, на входе мультиплексора (MUX) всегда должен быть цветной DWDM SFP, который формирует сигнал на строго определённой длине волны (лямбде). Разница в том, где именно установлен этот SFP.
Вариант 1. Клиентское оборудование с цветным SFP.
Если коммутатор или маршрутизатор имеет оптический порт и поддерживает цветные SFP, то цветной DWDM SFP вставляется непосредственно в клиентское оборудование. От него патч-корд идёт прямо в порт мультиплексора. В этом случае никаких дополнительных устройств не требуется.
Вариант 2. Клиентское оборудование с серым SFP.
Если клиентское оборудование использует стандартный «серый» SFP (например, 10G-LR с длиной волны 1310 нм), то его сигнал не может быть напрямую подан в мультиплексор, так как не попадает в DWDM-сетку. В этом случае между клиентским оборудованием и мультиплексором устанавливается транспондер (OTU).
Транспондер - это устройство (отдельная плата или коробка), которое:
принимает серый сигнал через обычный SFP;
преобразует его в электрическую форму;
регенерирует (восстанавливает форму и синхронизацию);
и на выходе формирует оптический сигнал уже на нужной DWDM-лямбде с помощью цветного SFP.
От этого цветного SFP патч-корд идёт в мультиплексор.
У мультиплексора существует сетка (стандарт ITU-T G.694.1). Это количество лямбд, которые MUX может отправить по одному волокну и расстояние между ними.
Пересчет частоты в длину осуществляется по стандартной формуле:
Частота = Скорость / Длина волны.
Скорость в данном случае это скорость света в волокне.
Стандарты, которые используются в DWDM
3. Почему мультиплексор не привязан к скорости (и это важно).
MUX - это пассивное устройство, и ему безразлично, какая скорость передаётся на каждой длине волны (лямбде). В отличие от коммутаторов, чья пропускная способность ограничена внутренней матрицей коммутации, MUX не имеет таких ограничений и может пропускать одновременно каналы 10Гбит/с, 100Гбит/с и любые другие, пока они вписываются в выделенный спектральный интервал.
Что это даёт на практике:
Один мультиплексор - разные скорости. В 40- канальный мультиплексор можно одновременно установить 10 Гбит/с модули на одних лямбдах, 100 Гбит/с когерентные модули на других и оставить свободные порты.
Модернизация без замены оборудования. Если у вас уже стоит мультиплексор с сеткой 50 ГГц, вы можете заменить несколько 10-гигабитных SFP на 100-гигабитные (когерентные). Сам мультиплексор остаётся на месте.
Ограничение одно — спектральное. Каждая лямбда занимает определённую полосу. Если сигнал требует полосы шире, чем шаг сетки, он начнёт перекрываться с соседними каналами.
4. Когерентная технология: как 100 Гбит/с влезают в ту же полосу, что 10 Гбит/с.
Когерентная технология — это способ передавать данные, используя не только яркость света (амплитуду), но и его фазу и поляризацию.
Благодаря этому:
- 100 Гбит/с укладывается в стандартную сетку 50 ГГц (0,4 нм)
- Сигнал может идти на 1500+ км без регенерации — DSP компенсирует дисперсию и нелинейные искажения
- Один мультиплексор может работать и с «простыми» 10G, и с «когерентными» 100G
5. Усилители: как сигнал не затухает на сотнях километров.
Волокно имеет затухание в С-диапазоне от 0,2 до 0,35 дБ/км в зависимости от типа волокна, его возраста и качества прокладки. Для нового волокна G.652 типичное значение — около 0,2 дБ/км на 1550 нм. Без усиления сигнал ослабевает, что делает его непригодным для приёма.
Для компенсации потерь используют эрбиевые усилители (EDFA) . Они усиливают весь спектр каналов одновременно, работая в С-диапазоне, а при специальном исполнении — и в L-диапазоне.
Где размещаются усилители.
Шум усилителей (ASE).
EDFA усиливает сигнал, но неизбежно добавляет собственный шум - спонтанное излучение (ASE). Этот шум накапливается: чем больше усилителей в линии, тем ниже отношение сигнал/шум (OSNR).
Падение OSNR - главный фактор, ограничивающий дальность связи без переприема (то есть без преобразования сигнала в электрический и обратно). Когда OSNR падает ниже порога декодирования (для 100 Гбит/с это ~12–14 дБ), начинаются ошибки.
Что определяет количество усилителей:
- Длина линии — чем длиннее, тем больше требуется усилителей.
- Потери в волокне и пассивных компонентах - MUX/DEMUX, сварки, разъёмы.
- Требуемое качество сигнала - запас по OSNR, который закладывают проектировщики.
В зависимости от затухания и качества волокна пролеты между переприемами могут составлять несколько десятков километров (когда мы строили магистраль в 2002-2008 гг. у нас были максимальные пролеты по 170 км. Возможно сейчас больше).
Это основное, что нужно знать про принцип работы DWDM. А для тех, кто реально планирует использовать DWDM оборудование еще пара разделов.
5. Реальное оборудование: что дают производители.
Не всё так честно, как написано в документации. Реально ширина лямбды на выходе SFP чуть больше, чем 0,4 нм. Чтобы поместить её в сетку и не допустить перекрытия соседних каналов, излишки ширины отрезаются. Это делается с помощью оптических фильтров, встроенных в MUX (мультиплексор). Потери сигнала при такой фильтрации обычно составляют не более 1- 2 дБ. Но это напрямую влияет на максимальную длину участка линии до следующего переприёма: чем больше потери, тем короче может быть пролёт между усилителями.
В гибких сетках (flex-grid) производители закладывают запас — небольшое расстояние между лямбдами, чтобы сигналы не перекрывались даже с учётом хвостов.
К тому же существуют температурный дрейф, старение компонентов и другие причины, которые со временем могут потребовать более широкий зазор между лямбдами.
6. Почему возникают ошибки: шумы, помехи и накопление искажений.
Даже если вся аппаратура исправна и линия построена по всем правилам, ошибки всё равно могут возникать. Их причина — в физике распространения сигнала по волокну.
Основные причины ошибок
Для минимизации ошибок предусмотрены следующие действия:
Запас по мощности - рассчитывают линию с запасом 3-6 дБ, чтобы компенсировать старение и неучтённые потери.
FEC (Forward Error Correction) — метод коррекции ошибок, при котором передатчик добавляет избыточную информацию, позволяющую приёмнику исправлять ошибки без повторной передачи. Изначально FEC реализовывался на программном уровне (в сетевых процессорах), но в современных когерентных системах 100 Гбит/с и выше он встроен непосредственно в аппаратуру — в специализированные DSP-чипы, что позволяет работать с сигналом, у которого отношение сигнал/шум значительно хуже, чем без коррекции.
Компенсация дисперсии - либо DCF-модулями (в старых системах), либо цифровой обработкой (DSP) в когерентных приёмниках.
Управление мощностью - выравнивание уровней каналов, чтобы не создавать лишних нелинейных эффектов.
Мониторинг спектра - оптические спектроанализаторы (OSA) следят, чтобы каналы не «съезжали» со своих мест и не перекрывались.
Используют например только четные каналы, чтобы между лямбдами был зазор.
Глоссарий: