UA.CWDM v2.0

[wladd 382]

 
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».

[wladd 382]

2.5 Мультиплексор. Внутреннее строение и принцип работы.

 

Как некоторые из Вас уже догадались, сейчас речь пойдет про мультиплексоры, а для тех, кто не знает, что это такое, дадим определение:

оптический мультиплексор – устройство, объединяющее оптические каналы в групповой оптический сигнал или разделяющее групповой оптический сигнал на спектральные составляющие (последнее устройство называется демультиплексор). Иногда (в последнее время всё чаще) оптический мультиплексор выполняет сразу обе эти функции.

Внутри обычного CWDM мультиплексора находится массив сваренных между собой CWDM фильтров на разные длины волн. Фильтры сварены по принципу «транзитный выход первого является входом для второго» (другими словами, «хвостом» COM к «хвосту» REF).

Все пигтейлы PASS выведены из корпуса мультиплексора и напрямую подключаются к трансиверам (обычно эти выводы дополнительно «упаковывают» во вторичный защитный буфер диаметром 2мм или 3мм).

 Самый первый пигтейл COM (который, кстати, тоже упакован во вторичный защитный буфер) подключается в линию связи.

Последний пигтейл REF или спрятан внутри корпуса, или может быть выведен из него для каскадирования мультиплексоров (опять же, в буфере).

 

Рисунок 11 – Внутреннее строение стандартного мультиплексора на основе CWDM фильтров.

 

Однако, не стоит забывать про потери мощности на каждом фильтре в каскаде. Когда групповой сигнал входит в мультиплексор, то первый отфильтрованный оптический канал теряет 0,3дБ мощности, второй – 0,6дБ, третий – 0,9дБ и так далее. У стандартного мультиплексора на 8 длин волн (1х8) затухание на последнем фильтре примерно равно 2,4дБ, что уже не мало, а у такого же мультиплексора на 16 длин волн (1х16) потери на последнем канале составят около 5дБ!

А теперь представьте, что такие мультиплексоры установлены с двух сторон линии связи – потери получаются ужасающе высокими! Поэтому для многоканальных мультиплексоров существуют несколько другие способы внутренней компоновки.

 

Как раз для многоканальных мультиплексоров и были разработаны широкополосные FWDM фильтры, о которых упоминалось ранее.

Такие фильтры устанавливаются на входе в мультиплексор и формируют не один внутренний каскад CWDM фильтров, а сразу два, значительно уменьшая суммарные потери на крайних каналах каждого каскада.

 

Рисунок 12 – Внутреннее строение мультиплексора на основе CWDM фильтров с использованием широкополосного FWDM фильтра.

Для компенсации паразитных потерь на каскаде CWDM фильтров, мультиплексоры обычно выпускают «в парах». Отличаются парные мультиплексоры друг от друга последовательностью сварки фильтров внутри.

 

Как уже было отмечено ранее, при работе CWDM системы в одном волокне каждый из мультиплексоров занимается мультиплексированием части каналов и демультиплексированием оставшихся каналов одновременно.

Работает такая пара мультиплексоров по принципу «если с одной стороны длина волны входит в волокно, значит с другой она обязательно должна выйти в приёмник трансивера».

 

Рисунок 13 – Работа CWDM системы по одному волокну.

 

Однако, в последнее время всё чаще инженеры задействуют сразу два волокна для размещения в них CWDM системы уплотнения. Логика проста: в два раза больше волокон – в два раза больше пропускная способность системы. При этом, реализовать такую систему можно по-разному.

 

 

 

 

 

2.6 Двухволоконные мультиплексоры.

 

У многих инженеров есть мнение, что для работы по двум волокнам в первую очередь необходимо обзавестись «двухволоконными» мультиплексорами. Попытки поиска таких устройств на рынке часто не дают результата – двухволоконные мультиплексоры умеют продавать все, но ни у кого их на складе нет (позиция обычно заказная и требуется время на её изготовление и доставку, что, согласитесь, не всегда удобно).

Однако, если рассмотреть внутреннее устройство двухволоконного мультиплексора, окажется, что это по сути два одинаковых одноволоконных мультиплексора в одном корпусе.

 

С экономической точки зрения всё предельно просто: стоимость мультиплексора обычно рассчитывается исходя из стоимости CWDM фильтра помноженного на количество этих фильтров в конечном устройстве, так что, по сути, нет никакой разницы в цене между, например, мультиплексором 2х4 и двумя мультиплексорами 1х4.

 

При работе с парой двухволоконных мультиплексоров обычно выделяют одно волокно на «прямой» поток, а второе – на «обратный». При этом «прямой» и «обратный» оптические каналы одного «дуплекса» определяются одной длиной волны (например, по одному волокну сигнал от одного «дуплекса» идёт «туда» на длине волны 1530нм, а по второму возвращается обратно на той же самой длине волны 1530нм).

 

В случае, если необходимо собрать двухволоконный мультиплексор из пары одноволоконных, есть два способа включения.

Первый вариант – включение по тому же самому двухволоконному принципу, когда на одной стороне установлен мультиплексор для прямого канала (подключен к первому волокну) и демультиплексор для обратного (подключен ко второму волокну). На другой стороне – зеркально наоборот.

 

Рисунок 14 – Работа двух пар одноволоконных мультиплексоров в «двухволоконном» режиме.

 

Второй вариант – две независимых одноволоконных системы в двух разных волокнах.

Рисунок 15 – Работа двух пар одноволоконных мультиплексоров в «одноволоконном» режиме по двум независимым волокнам.

 

Как уже упоминалось ранее, двухволоконные мультиплексоры сегодня – редкость, изготавливаются они в большинстве случаев «под заказ» и поэтому многие продавцы относят их в разряд «нестандартных» мультиплексоров.

Відредаговано 2015-03-05 15:43:01 wladd

[wladd 382]

2.7 OADM.

 

Многие производители мультиплексоров согласны выполнить любую прихоть клиента (естественно, за дополнительную плату), но и среди нестандартных мультиплексоров сформировался устойчивый спрос на определенные конфигурации:

 

- мультиплексоры 1х18 – для стопроцентного использования CWDM диапазона;

- «проходные» мультиплексоры – устройства с небольшим числом каналов и EXPRESS портом (для каскадирования устройств мультиплексирования по мере необходимости);

- мультиплексоры с отдельным выводом для подачи CATV сигнала от передатчиков, излучающих на длине волны 1310+/-40нм или на длине волны 1550+/-20нм (или на 1570+/-20нм – смотря какой передатчик).

 

Кроме всего вышеперечисленного есть еще один класс устройств мультиплексирования, которые продавцы оборудования также очень редко держат на складе – OADM.

OADM (англ. Optical Add-Drop Multiplexer) – оптический мультиплексор ввода/вывода. Используется это устройство в случае, когда где-нибудь «по дороге» из пункта А в пункт Б из магистрального волокна необходимо вывести (или в магистральное волокно ввести) один или несколько дуплексных каналов связи.

 

В самом простейшем случае OADM – это тот же «проходной» мультиплексор с парой CWDM фильтров внутри. Более сложные устройства способны работать сразу на два направления, выводя одни дуплексные каналы связи с одной стороны, и вводя другие с другой (иногда на тех же самых длинах волн).

 

OADM в заводском исполнении представляет собой небольшую пластиковую коробку с магистральными и «абонентскими» выводами.

«Коробочное» решение очень удобно в эксплуатации – поставил и забыл, ничего не надо варить, ничего не надо тестировать – главное соблюдать направление оптических сигналов для корректной работы. Кроме того, коробочное решение имеет малые внутренние потери за счет заводской сборки.

 

Недостатки готовых OADM начинают проявляться уже на этапе их покупки – очень сложно найти устройство, способное удовлетворить конечного провайдера, особенно если его инженеры используют нестандартные пары длин волн для дуплексов или вводят/выводят не один дуплекс, а два или больше.

Кроме того, коробочное решение неудобно при изменении топологии или логической схемотехники сети (их невозможно разобрать и добавить или извлечь из них оптические каналы).

 

Поэтому многие поставщики CWDM оборудования взяли за практику не поставлять «коробочные» решения, а возложить проектирование и изготовление OADM любого формата на плечи провайдера.

На рисунке 16 схематично показано, как можно использовать CWDM фильтры в качестве OADM.

 

Рисунок 16 – Использование CWDM фильтров вместо OADM.

 

Рисунок демонстрирует магистральную линию связи, основные потоки которой рождаются на стороне А и вводятся в волокно при помощи мультиплексора.

Точка А и точка D связаны между собой напрямую одним дуплексным каналом связи (длины волн 1530нм и 1550нм).

Точка А и точка B также связаны между собой одним дуплексным каналом связи на длинах волн 1470нм и 1610нм, при этом в точке B эти длины волн полностью выводятся из магистрали и далее не используются.

Из точки А в точку C приходит один дуплексный канал связи (длины волн 1510нм и 1570нм), при этом этот дуплексный канал связи полностью исключается из волокна в точке C.

Но на этих же длинах волн (1510нм и 1570нм) из точки С в точку D поднимается новый дуплексный канал связи.

 

Как видно, при большом количестве вводов/выводов можно использовать одни и те же длины волн несколько раз при условии, что они не заняты на текущем отрезке магистрали.

Відредаговано 2015-03-05 15:44:25 wladd

[wladd 382]

2.8 CCWDM.

 

Стоит отметить, что хоть CWDM технология не пользовалась большой популярностью достаточно долгое время, но к тому моменту, когда CWDM уплотнение стало востребовано, разработчики уже «обновили» технологию создания мультиплексоров.

В отличие от «старой» проверенной временем технологии каскадирования CWDM фильтров, современные CWDM мультиплексоры изготавливаются по планарной технологии.

Эта технология предполагает создание сложного планарного волновода, который дополнен коллиматорами и тонкопленочными фильтрами. Устройства мультиплексирования, выполненные по этой технологии, получили название CCWDM мультиплексоры (Compact CWDM).

Рисунок 17 – Внутреннее строение CWDM мультиплексоров. Слева – классический мультиплексор на основе каскада CWDM фильтров, справа – CCWDM мультиплексор.

 

CCWDM мультиплексоры по началу не пользовались популярностью в первую очереди из-за своих размеров – чуть больше спичечного коробка.

Инженеры интернет-сервис провайдеров с опаской относились к столь малому устройству, которое, к тому же, было достаточно сложно закрепить в стандартной патч-панели.

Рисунок 18 – Сравнение размеров CCWDM  и классического CWDM мультиплексоров.

 

Но этот недостаток легко решить при помощи двухсторонней липкой ленты, а вот достоинства CCWDM устройств достаточно быстро перевели их из разряда бесполезных диковинок в крайне необходимую вещь.

 

Чуть раньше мы уже акцентировали внимание на том, что «колбовые» мультиплексоры имеют разный показатель внутреннего затухания на каждом канале из-за каскадирования внутренних элементов.

CCWDM мультиплексоры в силу своего внутреннего строения практически лишены этих недостатков: внутреннее затухание по каждому каналу в таких устройствах практически одинаково (около 1.5дБ на канал для мультиплексоров 1х8 и около 3дБ на канал для мультиплексоров 1х18).

Это позволяет более эффективно использовать оптический бюджет CWDM приёмопередатчиков на больших пролетах магистральных линий связи.

Відредаговано 2015-03-05 15:48:33 wladd

[wladd 382]

2.9 Недостатки CWDM.

 

Несмотря на целый ряд достоинств, CWDM системы уплотнения обладают и рядом недостатков, присущих и недорогим системам оптической связи, а именно:

 

1. Ограниченный радиус действия.

Как и в простых системах оптической связи, оптический сигнал CWDM диапазона невозможно усилить, а значит, дальность действия по-прежнему ограничена оптическим бюджетом приемопередатчиков.

Эта дальность равна 150км для гигабитных линков и 80км для десятигигабитных линков.

Кроме того, на 10G каналы связи начинает влиять хроматическая дисперсия, что также ограничивает дальность действия;

 

1. Дополнительный бюджет потерь за счет использования пассивной аппаратуры уплотнения, вносящей свои затухания.

К сожалению, мультиплексоры, OADM и CWDM фильтры – это необходимое зло, с которым необходимо мириться.

 

1. Невозможность оптической регенерации группового CWDM сигнала и его спектральных составляющих.

CWDM диапазон достаточно широк, а современные оптические усилители-регенераторы на основе эрбия не способны справиться с таким широким диапазоном.

 

Выходом из сложившейся ситуации может стать 3R регенерация – восстановление оптической мощности, формы сигнала, синхронизация сигнала по времени и коррекция ошибок. 3R регенерацию можно осуществить при помощи следующих действий:

1. Принять ослабленный оптический сигнал;
2. Перевести оптический сигнал в электрическую форму;
3. Перевести сигнал из электрической формы обратно в оптическую и выдать его в линию.

Для этих целей необходим как минимум свитч, набор приёмопередатчиков и мультиплексоры, что делает 3R регенерацию, особенно на скорости 10Гбит/с, достаточно дорогим удовольствием.

Рисунок 19 – 3R-регенерация.

 

Хотя в последнее время китайские производители телекоммуникационного оборудования стараются максимально дешево удовлетворить потребности 3R регенерации. Например, китайский производитель BDCOM выпустил крайне дешевый свитч второго уровня с 12-ю 10G портами форм-фактора SFP+, способный провести 3R регенерацию сразу 6-ти дуплексных десятигигабитных линков.

Відредаговано 2015-03-05 15:49:48 wladd

[wladd 382]

3. «Нестандартное» использование CWDM.

 

Отдельно стоит вернуться к свойству CWDM систем уплотнения, которое было озвучено ранее как «мобильность».

По сути, термином «мобильность» мы назвали «нестандартное» использование CWDM систем уплотнения. Это не значит, что мы будем забивать гвозди мультиплексорами или использовать приёмопередатчики в качестве метательных снарядов – мы просто покажем, как еще можно использовать CWDM и насколько просто решать нерешаемые с первого взгляда задачи.

 

3.1 Комбинирование CWDM и WDM.

 

Первой в списке нестандартных задач стоит задача комбинирования WDM и CWDM технологий. На самом деле эта задача встречается достаточно часто и на её решение провайдер тратит достаточно много времени. Мы попробуем предложить шаблонное решение для решения таких задач, но сначала разберемся, зачем вообще комбинировать две технологии уплотнения, если можно сразу использовать CWDM.

 

Все предпосылки для комбинирования технологий уплотнения так или иначе опираются на тот факт, что где-то уже существует оптическая линия связи, которая в настоящий момент занята WDM системой передачи данных, например:

- провайдер хочет арендовать «чужую» линию связи, на которой уже работает дуплексный WDM канал связи. Как уже было описано ранее, WDM использует всего две длины волны из возможных 18-ти, так что у потенциального арендатора есть все техническая возможность «врезаться» в чужую линию связи без последствий для владельца;

- провайдер имеет рабочую линию связи, работающую по WDM технологии уплотнения, и хочет расширить её ёмкость, но при этом не хочет тратить много денег на апгрейд;

- провайдер имеет длинную оптическую магистраль (с одним дуплексным WDM каналом связи), которая проходит насквозь нескольких небольших населенных пунктов (например, сёла или ПГТ). Если при этом требуется дополнительная связь между двумя населенными пунктами, находящимися на пути следования магистрали – логично и экономически оправдано использовать CWDM «врезки» в основную магистраль.

 

Для решения подобных задач потребуется пара CWDM приёмопередатчиков с длинами волн излучателей, отличными от уже работающих в линии связи длин волн WDM, а так же 2 пары соответствующих CWDM фильтров.

 

Рисунок 20 – Комбинация WDM и CWDM систем уплотнения.

 

Правильно установленные CWDM фильтры будут пропускать через себя WDM сигнал в оба направления, не затрагивая его. Вместе с этим CWDM фильтры будут «подмешивать» в линию связи и извлекать из неё еще один дуплексный канал связи.

При желании добавить более одного дуплекса в линию связи, предыдущий пункт по выбору CWDM оборудования повторять до полного удовлетворения.

Стоит отметить, что существует возможность комбинировать CWDM и DWDM системы уплотнения, но на практике такая комбинация применяется крайне редко.

 

3.2 Одноволоконные ответвления от магистрали.

 

Другая проблема, с которой часто сталкиваются начинающие CWDM инженеры – это организация ответвлений от магистрали. 

Казалось бы – всё просто, поставили два CWDM фильтра и подключили приёмопередатчик.

Но на практике часто инженер сталкивается с тем, что в месте ответвления нет никакой постройки, где могло бы стоять активное оборудование, и от места ответвления до места возможной установки CWDM приёмопередатчика сотни метров, а то и несколько километров.

Некоторые не считают это проблемой и используют двухволоконный кабель от места ответвления до точки присутствия.

Мы же предлагаем экономить волокна и делать одноволоконные ответвления при помощи дополнительных CWDM фильтров.

 

Для того, чтобы выделить из CWDM магистрали один дуплексный канал связи, потребуется два CWDM фильтра, которые будут выступать в роли OADM.

Для того, чтобы пустить этот дуплексный канал по одному волокну дальше, потребуется еще пара CWDM фильтров.

 

Рисунок 21 – Схема одного одноволоконного ответвления от магистральной линии связи.

 

Как видно из рисунка, пара фильтров после OADM работает в тандеме:  один фильтр выступает в роли миниатюрного мультиплексора на 2 длины волны, а второй – в роли демультиплексора с прямым подключением к приёмопередатчику.

Данная схема позволяет сэкономить целое волокно, что может стать существенным преимуществом в некоторых «узких» местах городской магистрали или «в поле».

 

3.3 «Пассивная звезда».

 

Третья проблема, которую многие отбрасывают сразу как заведомо дорогую – создание полностью оптической топологии типа «звезда» без активного оборудования в центре этой самой звезды.

Многие считают, что эту задачу можно решить только с использованием PON-технологий (Passive Optical Network – пассивные оптические сети), что, в свою очередь, сильно удорожает весь процесс из-за высокой стоимости «головы» пассивной сети и сетевых клиентов.

 

Мы предлагаем решить эту проблему с использованием CWDM системы уплотнения и одного планарного оптического делителя, применяемого в PON.

 

Для решения данной задачи нам потребуется CWDM мультиплексор на необходимое количество длин волн (по паре разных волн на одного потребителя траффика), CWDM фильтры по количеству длин волн в мультиплексоре и столько же CWDM приёмопередатчиков.

 

На стороне провайдера устанавливается свитч с портами под оптические модули, в который загружается половина приёмопередатчиков. К ним подключается CWDM мультиплексор, который собирает спектральные каналы в групповой сигнал и пускает их по одному волокну до точки деления (та точка, которая будет центром «звезды»).

 

PLC делитель разделяет групповой сигнал по разным оптическим волокнам и пускает его на разные направления. При этом в каждом волокне будет находиться весь групповой сигнал (читай как «все длины волн, вышедшие из мультиплексора»), а не часть его.

 

На конце каждого волокна стоит пара CWDM фильтров, которые отфильтровывают нужные длины волн, а остальные игнорируют.

К этим фильтрам подключаются CWDM приёмопередатчики с нужной длиной волны. Приёмопередатчики можно также загрузить в оптический свитч или медиаконвертер-корзину – кому как больше нравится.

 

Рисунок 22 – «Пассивная звезда» «во всей красе».

 

Вся прелесть данной схемы состоит в том, что каждый потребитель получает полный дуплексный канал связи на заявленной скорости (например, 1 гигабит в секунду), а не делит скорость с другими потребителями (как, например, в PON).

Недостаток такой схемы очевиден: максимум 9 абонентов на «звезду» (18 длин волн и не более того).

 

3.4 Создание Т-образных перекрёстков.

 

Еще одна интересная задача, которую в разных реинкарнациях нам приходится решать регулярно – создание «Т-образных перекрестков».

Ситуация, когда имеется три потребителя, которым необходимо общаться друг с другом минуя третьего (например, из соображений безопасности) – далеко не редкость, и решением так же вполне может стать CWDM система уплотнения.

 

«Т-образный перекресток» можно построить с использованием CWDM фильтров и специальных мультиплексоров, которые можно изготовить под заказ или самостоятельно собрать из всё тех же CWDM «колб».

 

Рисунок 23 – Т-образный перекрёсток на CWDM фильтрах.

 

Как видно из рисунка, каскад CWDM фильтров успешно справляется с задачами разделения оптических потоков из центральной точки по крайним, а также пропускает насквозь траффик между двумя крайними точками.

 

Более элегантная схема «Т-образного перекрестка» может быть построена на базе планарных делителей 1х2 и всё тех же специализированных мультиплексоров.

 

Рисунок 24 – Т-образный перекрёсток на PLC делителях.

 

Вся прелесть использования планарных делителей состоит в том, что они могут пропускать через себя весь CWDM диапазон длин волн без проблем, при этом снижая мощность входящего сигнала всего в 2 раза (на 3 децибела).

 

Конечно, есть и масса других вариаций на тему «Т-образных» или «Х-образных» перекрестков, но, поверьте, CWDM система – достаточно мощный инструмент, следует только разобраться с основными принципами. Дальше всё решается элементарно, надо просто увидеть это решение и воплотить его в жизнь!

Відредаговано 2015-03-05 15:54:22 wladd

[wladd 382]

3.5 CWDM и CATV.

 

Еще одна область, где можно использовать CWDM фильтры – ввод/вывод сигнала оптического аналогового телевидения (CATV).

В пассивных оптических сетях (PON) CATV работает на длине волны 1550нм и имеет достаточно узкий спектр (но это, опять же, зависит от используемого CATV передатчика) – поэтому зачастую для ввода сигнала в PON или вывода CATV сигнала на абонентский оптический приёмник достаточно установить обычный CWDM фильтр на длину волны 1550нм.

 

Рисунок 25 – Ввод CATV сигнала в пассивную оптическую сеть.

 

В данном примере CWDM фильтр выступает в роли «смесителя», комбинируя аналоговый ТВ сигнал на длине волны 1550нм и дуплексный WDM канал передачи данных, работающий на длинах волн 1310нм/1490нм.

 

На стороне абонента показан сетевой клиент, умеющий самостоятельно разделять сигнал CATV и Ethernet. Если вместо такого сетевого клиента у абонента стоит отдельный приёмник ТВ и отдельный сетевой клиент для приёма/передачи данных – у такого абонента также можно установить CWDM фильтр на 1550нм, который разделит комплексный сигнал на составляющие.

 

Для Ethernet сетей, в которых CATV обычно передается на длине волны 1310нм, используют специальные Tree-port фильтры с более широким спектром пропускаемого сигнала – это правило диктуется характеристиками CATV передатчиков, работающих на длине волны 1310нм. Однако, если Вам в руки попадет такой CATV передатчик, но с узким спектром исходящего сигнала – можно смело брать в руки обычный CWDM фильтр на 1310нм и использовать его.

 

Заключение.

 

В заключении хочется еще раз отметить, что технология уплотнения CWDM на сегодняшний день не является чем-либо из ряда вон выходящим, приобрести компоненты и всю систему целиком можно практически у любого продавца сетевого оборудования за достаточно скромную сумму.

 

В то же время, использование CWDM систем способно существенно упростить работу интернет-сервис провайдера, который сможет воплотить в жизнь большинство своих самых смелых фантазий, связанных с топологией и эффективным использованием своих (или чужих) волокон.

 

Конечно, CWDM система не лишена недостатков – групповой CWDM сигнал невозможно регенерировать оптическим способом (только 3R-регенерация).

 

Число спектральных каналов CWDM также относительно мало – всего 18 длин волн, из которых можно спаровать всего 9 дуплексных каналов связи – для мощных провайдеров-магистралов это может показаться смешной цифрой, но многие локальные провайдеры смогут по достоинству оценить даже столь малые возможности и найти им применение.

 

Гибкость CWDM системы позволяет использовать её практически везде, где только проложено оптическое волокно, эта же гибкость позволяет внедрять в работу нестандартные решения, которые могут сэкономить много времени и немало денежных средств.

 

В общем, не забывайте про CWDM, рассказывайте про CWDM друзьям, читайте про CWDM на ночь детям, и главное – используйте CWDM!

CWDM – это не так сложно, как кажется на первый взгляд.

Відредаговано 2015-03-05 15:56:53 wladd

[wladd 382]

Скачать лекцию целиком можно здесь

Прочесть в любое время все нужное и не нужное можно здесь

Смотрите наши лекции на нашем канале Ютуб здесь

Відредаговано 2015-03-05 16:09:00 wladd

[_WesT_ 1 016]

Хочу кино про PON )))

[wladd 382]

будет. уже сценарий пишем

Відредаговано 2015-03-05 16:24:34 wladd

[wladd 382]

вопрос Фостеру. Почему данную тему убрали из раздела Для Людей?

Что опять не так?

Відредаговано 2015-03-05 16:24:52 wladd

[bot 82]

вопрос Фостеру. Почему данную тему убрали из раздела Для Людей?

Что опять не так?

Потому что это оптоволокно

[Кондолиза Райс 106]

система оптического уплотнения - это не оптоволокно

так же как утюг - это не электричество

 

а общеобразовательные статьи - это для людей

[_WesT_ 1 016]

Не могу не согласиться с Кондолизой. На лицо общеобразовательная статья 

[Sided 132]

Молодцы!

Интересно было почитать

[DenimMark 32]

"ШЫКАРНАЯ" статья. Автору респект и уважение. Все знал и все понимал, но так разложить по полочкам надо уметь! Сразу захотелось что из прочитаного внедрить :-).

 

Бумажная версия не предвидится ?

Відредаговано 2015-03-06 06:58:49 DenimMark

[wladd 382]

обязательно включим в сборник.

даже думаю, вот выпустим книжку толстую

и в старости будем в школе преподавать УПК для страшекласников

[martin 170]

А картинки то !! картинки какие !!! красотища !!!!! 

[Гайджин 574]

А чего про BIDI CWDM не упомянуто?

[wladd 382]

А чего про BIDI CWDM не упомянуто? 

 

есть куда стремиться. про BiDi CWDM обязательно сделаем отдельную главу после проведения полномасштабных тестов по ним. Пока еще эти модули не получили - а писать вслепую было бы провалом.

то есть мы пишем только про то что делаем.

посмотрим, покрутим.

 

С вашей точки зрения, чем подход BIDI-CWDM 

привлекателен?

[Гайджин 574]

С вашей точки зрения, чем подход BIDI-CWDM привлекателен?

Ну тут как бы два варианта - в два раза плотнее (т.е. больше возможностей впихнуть невпихуемое) и возможно в общем несколько дешевле (с учетом того, что муксы и адд-дропы нужны меньшей ламбдовости, для организации одинакового количества дуплексных линков).

[wladd 382]

 

С вашей точки зрения, чем подход BIDI-CWDM привлекателен?

Ну тут как бы два варианта - в два раза плотнее (т.е. больше возможностей впихнуть невпихуемое) и возможно в общем несколько дешевле (с учетом того, что муксы и адд-дропы нужны меньшей ламбдовости, для организации одинакового количества дуплексных линков).

 

удобно ли будет перестраивать / переваривать уже существующую линию на APC?

поляризационое уплотнение (типа циркуляторов) показало себя сильно глючновато,

поэтому массово от него все отказались

 

не очень прикольно, когда модуль приемника не может определить 

обрыв линии и продолжает показывать линк АП.

Відредаговано 2015-03-06 09:18:02 wladd

[Гайджин 574]

удобно ли будет перестраивать / переваривать уже существующую линию на APC?

Ну насколько я понимаю при использовании оптического уплотнения собирать линию на коммутируемых соединениях это как бы моветон - зачем дополнительные потери городить? По этому если линия вся проварена, то переварить коннекторы придется (если придется) только на концах.

поляризационое уплотнение (типа циркуляторов) показало себя сильно глючновато,

поэтому массово от него все отказались

Нууууу.... Мало ли.... - Подробности можно?

не очень прикольно, когда модуль приемника не может определить 

обрыв линии и продолжает показывать линк АП.

Ну это как бы косяк, а он такой точно возникнет? - Ну и даже если возникнет, то BFD еще ни кто не отменял.

[wladd 382]

 

для посетителей конференции вокруг кабеля