UA.CWDM v2.0
 

 

 

 

 
 
Введение.
 
На сегодняшний день каждый интернет-сервис провайдер знает или слышал аббревиатуры WDM, CWDM, DWDM, и многие уже давно используют WDM для подключения своих абонентов или организации магистральных линий связи.
Однако, до сих пор огромное количество Интернет-Сервис Провайдеров (далее ИСП) не желают (а иногда даже боятся!) использовать «серьезные» системы уплотнения, ошибочно считая эти решения или заоблачно дорогими, или сложными для технического понимания и внедрения.
В этом обзоре мы постараемся опровергнуть оба этих утверждения и доказать, что CWDM (а именно про эту технологию уплотнения далее пойдет речь) – это не так страшно, как кажется на первый взгляд.
 
1.Кратко о дуплексной связи.
1.1 Двухволоконная связь.
 
Для начала (для качественного понимания происходящего далее) необходимо вспомнить базовые основы оптической связи.
Как известно, современная связь – дуплексная. Такой способ связи предполагает, что передача и приём ведется одновременно каждым участником связи, причем потоки данных на передачу и на приём для каждого конкретного участника обмена данными должны быть физически разделены между собой.
Другими словами, к каждому сетевому устройству должно подходить минимум две независимые линии связи: одна на передачу данных, вторая – на приём.
 


Рисунок 1 – Принцип действия двухволоконной дуплексной связи.   То есть используются два независимых физических канала (применительно к оптоволоконным линиям связи это - два волокна, по одному из которых сигнал передается «туда», по другому – «обратно»), в каждом из которых световой сигнал передается на одной и той же длине волны (это утверждение верно для классических оптоволоконных линий связи).
Главная особенность двухволоконной связи – это возможность работы с любыми оптическими волноводами, такими как одномодовое волокно (англ. Single Mode Fiber или SFM) или многомодовое волокно MMF (англ. Multi Mode Fiber или MMF).
 
Для двухволоконной связи характерны следующие длины волн:
- 850нм или 1310нм      для MMF;
- 1310нм или 1550нм для SMF;
 
Рабочая длина волны часто зависит от расстояния, на которое требуется передать сигнал. Например, для одномодового волокна на небольшие дистанции обычно используется длина волны 1310нм, а на большие – 1550нм. 
Сопоставляя максимальные скорости и дальности, характерные для двухволоконной связи, с типом оптического волокна, можно получить зависимость, не изменяющуюся уже на протяжении десятка лет.
 
Подводя итоги можно отметить, что двухволоконную связь можно организовать на дальность:
- до 300м  при скорости передачи данных 10Гбит/с;
- до 2км при скорости передачи данных 1Гбит/с.
 Это верно для многомодовых волноводов, для одномодовых волноводов эта ситуация гораздо лучше:
- до 80км при скорости 10Гбит/с;
- до 150км при скорости 1Гбит/с.
 
Для экономии волокна при использовании двухволоконных приемопередатчиков ранее использовались (да и сейчас периодически применяются) оптические циркуляторы, основная задача которых - «разворачивать» плоскость поляризации прямого и обратного оптического сигнала на одной и той же длине волны перпендикулярно друг другу. Благодаря таким манипуляциям со световым потоком, становится возможным  работать «туда» и «обратно» на одной длине волны в одном и том же оптическом волокне.
Сегодня циркуляторы – это очень дорого и неудобно, а иногда и небезопасно:
- стоимость циркулятора гораздо выше, чем стоимость самого простого мультиплексора (при этом даже самое несложный мультиплексор сможет обеспечить ввод/вывод большего количества дуплексных каналов связи на одно волокно);
- при обрыве оптического волокна приёмопередатчики на двух сторонах линии связи не всегда способны качественно детектировать обрыв: отраженный световой сигнал с торца оборванного волокна (или неподключенного оптического патчкорда) попадает назад в приёмник оптического приёмопередатчика. Последствия такой ситуации могут быть самыми непредсказуемыми.
 
1.2 WDM.
 
С недавнего времени на смену двухволоконным системам связи пришла относительно молодая технология, которая позволяет передавать один дуплексный канал связи по одному волокну. Имя ей – WDM!
 
WDM (от англ. Wavelength Division Multiplexing – мультиплексирование с разделением по длине волны) –  частный случай частотного мультиплексирования.
 
В основу принципа действия по-прежнему положено утверждение о том, что прямой и обратный поток для дуплексной связи должны быть разделены физически, но ведь это утверждение (как и любое утверждение вообще) можно трактовать по-разному.
Лучшие умы современности выразили мнение, что физическое разделение двух оптических каналов связи не всегда означает, что оптические сигналы этих каналов должны двигаться в разных волокнах – можно ведь в одном волокне запустить навстречу друг другу два «разноцветных» световых сигнала, которые не будут мешать друг другу!
При этом, физические характеристики встречных световых потоков останутся разными (разная длина волны света), а это значит, что их (световые потоки) можно различать в общем волноводе.
 
Для полноценной работы такой системы (в народе такая система называется «одноволоконной») приёмопередатчик WDM имеет «на борту» передатчик и приёмник, настроенные на разные длины волн, а также встроенный блок фильтров.
Другими словами, одноволоконное устройство приёма/передачи излучает на одной длине волны, а принимает на другой. А для того, чтобы всё это действо не превратилось «в кашу», в каждом таком приёмопередатчике установлены фильтры.
 
Приемопередатчики WDM работают «в паре». Каждый приемопередатчик в паре имеет «зеркальные» длины волн приёма и передачи, например:
- один трансивер из пары имеет длины волн передатчика 1310nm и приемника 1550nm;
- второй трансивер из пары имеет всё то же, но зеркально наоборот (передатчик излучает на длине волны 1550nm, а приёмник детектирует сигнал на длине волны 1310nm).
 


Рисунок 2 – Принцип действия дуплексной WDM связи.   В мировой практике существует всего три основных пары длин волн для гигабитных и сто-мегабитных оптических WDM приёмопередатчиков, а именно:
- 1310/1550нм;
- 1310/1490нм;
- 1490/1550нм.
 
Для WDM приёмопередатчиков, работающих на скорости 10 гигабит в секунду, стандартная пара длин волн всего одна:
- 1270/1330нм.
Конечно, никто не отменял «нестандартные» пары длин волн, но производители оборудования стараются не отступать от общемировых стандартов, чтобы не плодить узкоспециализированные и несовместимые со всем остальным оборудованием приёмопередатчики.
Как и в случае с двухволоконными приёмопередатчиками, разные пары длин волн WDM используются на разные дальности – чем «длиннее» волна, тем на большее расстояние есть возможность организовать канал связи.
 
Максимальная дальность действия WDM трансиверов:
- до 60км при скорости передачи данных 10Гбит/с;
- до 120км при скорости передачи данных 1Гбит/с.
Отдельно следует отметить особенность трансиверов WDM – они работают только в одномодовом волокне (SMF).
 
1.3 Недостатки «простых» оптических систем связи.
У классических двухволоконных систем связи и WDM систем уплотнения есть свои недостатки:
- неэффективное использование волокна (характерно в первую очередь для двухволоконных линий связи) – фактически, для организации одного дуплексного канала связи применяется избыточное количество оптических волокон, что само по себе достаточно дорого и на сегодняшний день вообще лишено смысла;
- ограниченный радиус действия из-за хроматической дисперсии (актуально для 10G) и оптического бюджета/бюджета потерь (актуально как для 1G, так и для 10G). Хроматическая дисперсия пагубно влияет на высокоскоростной 10Гбит/с сигнал, разрушая его, а оптический бюджет трансиверов невозможно увеличить без специального внешнего оборудования;
- невозможно стандартными способами расширить канал связи двухволоконных или WDM систем связи путем добавления новых спектральных каналов, повысив тем самым эффективность использования оптического волокна;
 
2. CWDM – это просто.
2.1 Основы CWDM.
 
Частичным решением проблем классических двухволоконных систем связи и WDM систем уплотнения вполне может стать (и очень часто становится!) система уплотнения CWDM.
CWDM (от англ. Coarse Wavelength Division Multiplexing – грубое уплотнение с разделением по длине волны) – также, как и WDM, частный случай частотного уплотнения.
Отличие CWDM от WDM состоит, в первую очередь, в бОльшем количестве длин волн (или спектральных каналов) – их 18 в CWDM против двух в WDM.
Спектральные каналы в CWDM «упакованы» более плотно, чем в WDM: все 18 каналов находятся в спектральном диапазоне от 1270 до 1610нм, который охватывает все освоенные диапазоны для передачи световых сигналов в одномодовом оптическом волокне (это – диапазоны О, Е, S, C и L).
Шаг между центральными длинами волн каждого канала составляет 20нм, при максимальной ширине каждого канала +/- 7.5нм (в рекомендации ITU-Т G.694.2 заявленное отклонение от центральной длины волны находится в диапазоне ±6…7нм).
 


Рисунок 3 – Рабочий диапазон CWDM.   Стоит отметить, что каждый спектральный канал CWDM имеет свою уникальную характеристику, состоящую из показателя затухания на километр волокна (он же – погонное затухание, синяя линия на рисунке) и показателя хроматической дисперсии (красная линия на рисунке).
 
Старые одномодовые волокона (G.652 A и G.652B) не прозрачны для светового излучения в  диапазоне Е (так называемый «водный пик»), поэтому для задействования всех каналов CWDM системы необходимо использовать современные одномодовые оптические волокна (G.652 C или G.652D). У таких волокон влияние «водного пика» сведено к минимуму (синий пунктир на рисунке 3).
 
Одной из основных особенностей CWDM систем уплотнения является возможность «паровать» любые из 18 длин волн между собой, образуя прямой и обратный каналы одного дуплексного канала связи. Главное – чтобы излучение на конкретной длине волны поступало в волокно только от одного источника (чтобы избежать коллизий).
Соответственно, в одном волноводе можно «спаровать» максимум 9 дуплексных каналов связи, причем абсолютно не важно, с какой скоростью и в каком формате передаются данные в каждом отдельно взятом «дуплексе».
Кроме того, CWDM системы можно безболезненно интегрировать в другие (уже работающие) системы уплотнения (например, WDM или DWDM), наращивая ёмкость и повышая эффективность конкретного оптического волокна.
 
2.2 Выбор пар спектральных каналов CWDM.
 
Отдельно стоит рассмотреть принцип подборки парных CWDM каналов для создания дуплексного канала связи.
Как уже было отмечено ранее, каждый спектральный канал CWDM системы имеет своё уникальное затухание на километр.
Опираясь на этот факт и на здравый смысл, мировое сообщество и ведущие инженеры компаний-интеграторов рекомендуют паровать спектральные каналы CWDM не абы как, а по определённым правилам.
Суть правил сводится к тому, что не следует паровать спектральные каналы с большой разницей в затуханиях, ведь итоговая дальность дуплексного канала связи при прочих равных условиях будет ограничена спектральным каналом, имеющим бОльшие погонные потери.
Другими словами, если один из пары спектральных каналов может «пробить» максимум 50км, а второй – максимум 80км, то система в полном дуплексе сможет работать только на 50км.
 
Самое большое погонное затухание имеют длины волн 1270нм и 1290нм. Именно по этой причине их часто не используют в стандартной аппаратуре уплотнения – использовать их разумно только в паре в качестве служебного канала связи на небольших расстояниях.
8 длин волн из «верхнего» диапазона (от 1310нм до 1450нм) имеют средние показатели затухания, и их эффективно паровать между собой как заблагорассудится, однако, и здесь есть ряд нюансов.
Если задача состоит в том, чтобы качественно пропустить из точки А в точку Б максимум дуплексных каналов, то эффективно использовать методику «расходящаяся восьмёрка»: паруются центральные пары волн, потом – соседние по краям от центральных и так далее. Таким образом достигается усредненное затухание для всех пар длин волн, но система работает не на максимальную дальность.
В случае, когда требуется «пробить» максимальное расстояние небольшим количеством дуплексных каналов, а оставшиеся вывести из волокна «по дороге» - пары формируются из двух соседних длин волн, имеющих максимально схожие затухания.
 
8 длин волн из «нижнего» диапазона (от 1470нм до 1610нм) имеют наименьшие показатели затухания среди всех CWDM длин волн, и их выгоднее использовать на дальние расстояния, при этом принципы подборки пар остаются теми же самыми.
 


Рисунок 4 – «Расходящаяся восьмерка» (слева) и каналы, подобранные по критерию «максимальной дальнобойности» (справа).   2.3 Особенности приёмопередатчиков CWDM.
 
Возможность паровать разные спектральные каналы между собой в любом порядке делает систему уплотнения CWDM очень гибкой.
Достигается это благодаря специфической конструкции оптических приёмопередатчиков: все приёмопередатчики – двухволоконные (с разделёнными приёмником и передатчиком), но, в отличии от классических двухволоконных систем связи, каждый приёмопередатчик излучает на одной конкретной из 18 возможных длин волн, а приёмник может детектировать сигнал на любой длине волны CWDM диапазона.
Два любых (даже с одинаковыми длинами волн излучателя!) CWDM приёмопередатчика можно соединить между собой при помощи двухволоконной линии связи, при  этом они будут работать в «классическом двухволоконном» режиме.
 


Рисунок 5 – Простейшее включение CWDM модулей через два независимых волокна.   Отдельно стоит отметить, что современная промышленность производит CWDM трансиверы (приёмопередатчики) всех известных форм-факторов (GBIC, SFP, SFP+, XFP и проч.), которые могут работать на скоростях вплоть до 10Гбит/с, формируя «дуплексы» на дальности до 80км при скорости 10Гбит/с и до 150км при скорости 1Гбит/с.
 
Но вернемся к волокну и процессах, происходящих в нём.
Пока на широкополосный приёмник CWDM трансивера поступает только один сигнал на конкретной длине волны – всё хорошо и работает, но как только (и если вдруг!) на приёмник поступит более одного сигнала на разных длинах волн – приёмник просто не сможет «разобраться», какой сигнал ему следует детектировать, и произойдет ошибка приёма.
Для того, чтобы избежать подобных ситуаций, перед приёмником необходимо установить внешний CWDM фильтр, который пропустит на приёмник только один сигнал на конкретной длине волны.
 


Рисунок 6 – Групповой сигнал и применение CWDM фильтров.   На этом этапе внимательный читатель уже усвоил для себя три основные составляющие CWDM систем, но, на всякий случай, еще раз повторимся:
 – уникальная для каждого передатчика длина волны (естественно, в рамках CWDM диапазона);
– широкополосный приёмник;
– CWDM фильтр, который обязательно необходимо установить перед приёмником.
 
2.4 CWDM фильтр. Принцип работы.
 
Для дальнейшего понимания происходящего необходимо разобраться, что такое CWDM фильтр и как он работает.
На самом деле, у этого пассивного устройства есть огромное количество названий: FWDM фильтр, CWDM Mini Cell, CWDM колба, Three-Port Filter и масса других.
Физически устройство представляет собой металлическую или стеклянную трубку около 5см длиной, к которой прикреплены три оптических пигейла.
 


Рисунок 7 – внешний вид CWDM фильтра.   Металлические CWDM фильтры обычно поставляются на рынок в виде готовых устройств для использования «как есть» в качестве, собственно, оптического фильтра. Такие фильтры обычно имеют оптические коннекторы (например, LC/UPC или SC/UPC) на концах пигтейлов для удобства использования.
Стеклянные CWDM фильтры являются компонентом для создания CWDM мультиплексоров (об этом – далее). Такие фильтры, в отличие от металлических собратьев, более хрупкие и требуют дополнительной защиты от внешних воздействий. Кроме того, стеклянные фильтры обычно поставляются с пигтейлами, не имеющими коннекторов на концах (под сварку).
 
Сам оптический фильтр вместе с системой линз находится глубоко внутри устройства и особого интереса не представляет, за исключением полосы пропускания.
Пропускать фильтр может как узкую полосу лазерного излучения (+/- 7.5нм от центральной длины волны, например 1550нм +/- 7.5нм), так и широкую (например, +/-40нм или вообще половину CWDM диапазона).
 
Работает CWDM фильтр «в обе стороны», позволяя как вводить в волокно, так и выводить из него оптический сигнал на нужной длине волны.
 
Каждый из трёх выводов CWDM фильтра отвечает за свою задачу, и если выводы соединить неправильно, то, в лучшем случае, CWDM система просто не будет работать («не поднимется линк»).


Рисунок 8 – Принцип работы CWDM фильтра.   Вывод Pass (P) – вывод, в который вводится (или из которого выводится) нужная длина волны.
Вывод Common (COM или C) – общий вывод в линию связи. Если требуется ввести новую длину волны в линию связи, сначала её подают в вывод Pass. Фильтр «подмешивает» новую длину волны к уже имеющимся и групповой сигнал выходит из вывода COM.
Если требуется вывести из линии связи длину волны, содержащуюся в групповом сигнале, в вывод COM необходимо подать групповой сигнал, а из вывода Pass получить требуемую длину волны.
Вывод Reflection (REF, R, иногда - EXPRESS) – «транзитный» вывод. В него подаётся первичный групповой сигнал перед процедурой ввода новой длины волны, в него же выводится остаточный групповой сигнал после процедуры вывода длины волны из линии связи.
 
Каждый фильтр «гасит» как групповой сигнал, проходящий сквозь него, так и вводимую/выводимую длину волны примерно на 0,3дБ – это всегда необходимо учитывать при проектировании линии связи!
 
Благодаря фильтрам можно связать пару CWDM приёмопередатчиков между собой, используя не два волокна, а одно. Рассмотрим это на примере.
Допустим, необходимо «поднять линк» по одному волокну между парой трансиверов с длинами волн передатчиков 1550нм (красный) и 1530нм (синий).
Для этого потребуется пара CWDM фильтров на соответствующие длины волн.
 
 


Рисунок 9 – Пример использования CWDM фильтров для создания одноволоконной линии связи.   Рассмотрим, как будет двигаться сигнал на длине волны 1550нм (будет двигаться он слева-направо):
 
– сигнал, выходя из передатчика, сразу же попадает на вывод REF фильтра 1530нм, после чего проходит фильтр «насквозь» и попадает в линию связи через вывод COM;
– на приёмной стороне сигнал на длине волны 1550нм попадает в COM вывод фильтра 1550нм, отфильтровывается и попадает через вывод PASS на приёмник трансивера.
 
Обратный сигнал от трансивера с излучателем на длине волны 1530нм двигается аналогично прямому.
Этот простой пример показывает базовые принципы работы CWDM систем уплотнения. В этом примере работа велась всего с двумя длинами волн и обычно вместо такой сложной схемы обычно используют стандартные WDM системы уплотнения.
CWDM система уплотнения начинает проявлять свою мощь при наращивании числа оптических каналов минимум до четырех, когда в одном волокне начинают работать сразу два дуплексных канала связи.
Но для того, чтобы ввести и вывести из одного волокна большое число длин волн, одиночного CWDM фильтра будет недостаточно, и тогда для организации связи потребуется уже упомянутое ранее (но не рассмотренное до сих пор) устройство - мультиплексор.
Напоследок стоит отметить, что Рисунок 9 – это идеальная схема включения пары CWDM трансиверов для работы по одному волокну. Гораздо практичнее применять схему включения, обозначенную на Рисунке 10 ниже из-за возможности просто и быстро добавить еще некоторое количество оптических каналов связи.


Рисунок 10 – Пример использования CWDM фильтров для создания одноволоконной линии связи «с возможностью расширения».