Sieci teletransmisyjne WDM (DWDM)
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:
ü Poprzez powielenie liczby kabli optycznych (nadal o przepływności 2,5 Gb/s),
ü Poprzez zwiększenie szybkości w poszczególnych włóknach nawet do 10 Gb/s lub większej, dzięki wykorzystaniu początkowo techniki zwielokrotniania z podziałem 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.”
Tłumienność światłowodu kwarcowego
Ilustracja zwielokrotnienia TDM
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 różnych długościach fali (transmisja kolorowa), prowadzonych w jednym włóknie światłowodowym.
Ilustracja zwielokrotnienia WDM
Zwyczajowo przyjmuje się, że zwielokrotnienia kilku fal w jednym oknie włókna światłowodowego oznacza się jak WDM, natomiast 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
Do najbardziej istotnych zalet technologii WDM należą:
ü możliwość stopniowej rozbudowy istniejącego systemu transmisji danych, bez konieczności wymiany torów światłowodowych,
ü całkowita niezależność kanałów optycznych, co umożliwia prowadzenie przekazów w różnych formatach transmisyjnych,
ü osiąganie wysokich przepływności binarnych,
ü brak potrzeby stosowania dodatkowych sygnałów zegarowych czy synchronizacji przy zwiększaniu liczby kanałów optycznych,
ü wzmacnianie wszystkich kanałów transmisji przy pomocy jednego wzmacniacza optycznego,
ü możliwość tworzenia wielokanałowych połączeń dwupunktowych przydatnych w przekazach dalekosiężnych.
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:
ü do transmisji długodystansowych
ü 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.
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:
ü 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.
ü 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:
Ø przeniesienie mechanizmów zabezpieczeń do urządzeń pakietowych i korzystanie z powtórnego trasowania przez sieć,
Ø dodanie prostych mechanizmów przełączających wewnątrz systemów DWDM, które są uaktywniane przy zaniku sygnału podstawowego w łączu optycznym,
Ø stosowanie przełączników cyfrowych ze zwielokrotnieniem czasowym TDM,
Ø 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 przełączników TDM urządzenia OXC pozwalają jedynie na przeźroczyste przełączanie strumieni optycznych (co jest ich podstawową funkcją) bez jakiejkolwiek ingerencji w strukturę przełączanego sygnału. Ich 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 połączeń optycznych DWDM na poziomie blisko 100 % wymaga zastosowania wielu mechanizmów protekcyjnych.
Wyróżnia się 3 sposoby zabezpieczeń przed awarią:
Ø 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);
Ø Protekcja kanałów optycznych dotycząca jedynie wskazanych długości fal l we włóknie. W razie awarii system protekcji przełącza transmisję z uszkodzonych kanałów optycznych l na inne długości fal;
Ø 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:
Ø TP S.A.
Ø Tel-Energo(sieć światłowodowej energetyki)
Ø 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:
Ø Komutowanej PSTN (strumienie cyfrowe STM)
Ø Pakietowych Polpak(X.25) i Polpak-T(protokoły ATM i Frame Relay)
Drugą co do wielkości krajową sieć optyczną dysponuje konsorcjum Tel-Energo.
Sieć szkieletowa Tel-Energo
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 opartego 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 przełączeniu strumieni przesyłanych danych na inne kanały bądź trakty, a w razie istotnego pogorszenia się warunków transmisji (z całkowitą utratą połączenia 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.
Rynek wyposażenia optycznego
Borysek12