Исследование увеличения пропускной способности на базе технологии WDM

Вдоль оси длин волн отложены следующие параметры: стабильность спектра, спектральный диапазон усилителя EDFA, центральная длина волны и ширина полосы пропускания. На пересечении параметров времени и длины волны располагаются: девиация частоты (чирпирование) лазера, хроматическая дисперсия, стабильность оптической частоты и фазовые шумы (фазовая автомодуляция и перекрестная фазовая модуляция). Совместное же влияние длины волны и мощности проявляется в таких явлениях, как: усиленное спонтанное излучение ASE, усиление EDFA, перекрестные помехи, четырехволновое смешение FWM и вынужденное комбинационное рассеяние (рассеяние Рамана). И, наконец, картину завершает вынужденное рассеяние Бриллюэна-Мандельштама, рис. 25). Хотя технология WDM и повышает эффективность сетей, увеличивая полосу пропускания и количество каналов, ее применение требует тщательной подготовки. На этапах планирования, разработки, производства и ввода систем WDM в эксплуатацию, все эти факторы должны быть рассмотрены и учтены в должной мере.

Рисунок 25 - Основные факторы, ограничивающие характеристики систем WDM

3.7 Основные параметры систем WDM

Значения основных параметров системы отличаются от соответствующих значений параметров отдельных компонентов. Поэтому после того, как система WDM полностью смонтирована, необходимо заново измерить значения всех ее параметров. Влияние характеристик отдельных компонентов на характеристики линии связи предсказать достаточно сложно, поскольку они в разных случаях могут усиливать, ослаблять или полностью компенсировать друг друга в зависимости от условий окружающей среды, расстояния до передатчика, оптических разъемов и соединительных шнуров.

Технические характеристики систем WDM определяются в первую очередь следующими основными характеристиками отдельных компонентов:

Мощность и стабильность лазерного передатчика. Чем выше эти параметры, тем больше допустимая дальность линии связи. Однако мощность сигнала не должна быть настолько большой, чтобы стало проявляться негативное влияние нелинейных явлений в волокне. Число каналов. Полная полоса пропускания системы определяется произведением числа каналов на скорость передачи по каналу. Например, система с 40 каналами и скоростью передачи по каждому каналу 2,5 Гбит/с (STM-16) имеет полную полосу пропускания 100 Гбит/с.

Частотный интервал между каналами. В частотном плане ITU-T стандартный частотный интервал между каналами составляет 100 ГГц (около 0,8 нм по длине волны). В настоящее время рассматриваются предложения по стандартизации частотного плана с расстоянием 50 ГГц (около 0,4 нм) и даже 25 ГГц Скорость модуляции лазерного передатчика. На линиях связи большой протяженности в настоящее время используются скорости передачи (модуляции) 2,5 Гбит/с (STM-16) и 10 Гбит/с (STM-64). Скорость передачи в сетях связи городского и регионального масштабов обычно намного меньше.

Коэффициент усиления EDFA. Стандартные усилители EDFA в пределах рабочего диапазона (шириной 40 нм) имеют типичный коэффициент усиления 30-40 дБ для слабых сигналов. Коэффициент усиления приемника должен быть максимально высоким и стабильным.

Характеристики оптического волокна Тип и характеристики оптического волокна сильно влияют на такие параметры системы, как скорость передачи, дисперсия и максимально возможное число каналов.

Эти параметры описывают основные характеристики системы WDM, однако для полного изучения системы требуется принимать во внимание и другие факторы [8].

4. Анализ увеличения пропускной способности и экономической эффективности систем WDM

4.1 Технология WDM в городских сетях

Применение технологии WDM на уровне городских сетей дает провайдерам значительную гибкость, которая позволяет им предлагать услуги для различных секторов рынка. Прозрачность оптической передачи позволяет осуществлять локальную связь по существующим протоколам (IP, Ethernet и т. д.) с добавлением защиты на уровне линий SONET/SDH. Затраты на расширение сети достаточно низки, так как оборудование WDM для коротких городских линий связи значительно дешевле, чем намного более сложное оборудование для линий связи большой протяженности.

Нельзя сказать, что системы DWDM городского масштаба обязательно проще, чем их аналоги на линиях высокой протяженности. Для локальных сетей связи намного важнее гибкость. При их проектировании необходимо предусматривать как можно большее число возможных конфигураций с возможно меньшей зависимостью от применяемых протоколов передачи. Огромное значение имеют также соответствующие средства управления, которые должны позволять реализовывать эту гибкость просто, быстро и экономично.

Установка системы WDM городского масштаба не подразумевает обязательного отказа от существующих сетей SONET/SDH: они могут существовать параллельно, причем определенные части систем DWDM могут передавать трафик SONET/SDH.

Более того, для эффективного использования полосы пропускания систем WDM трафик SONET/SDH, IP или ATM в оригинальном формате, можно передавать по различным каналам. Системы WDM городского масштаба позволяют также передавать трафик таких протоколов, как Gigabit Ethernet, FDDI и ESCON. Хотя передавать «неэффективно использующие время» сигналы типа Gigabit Ethernet в их оригинальном формате по каналам WDM высокой протяженности не всегда экономично, иногда имеет смысл это делать для коротких дистанций, типичных для городских сетей связи.

При достижении участками сети, использующими SONET/SDH, максимальной загрузки их можно постепенно заменять линиями DWDM. При этом возможно как сохранить старые каналы SONET/SDH, так и предложить новые услуги с низкими дополнительными издержками. Пропускная способность систем WDM может расти до тех пор, пока остаются свободные каналы.

Хотя линии городских систем DWDM имеют относительно небольшую протяженность, в них чаще всего приходится использовать линейные оптические усилители (обычно EDFA). Так как наличие или отсутствие усилителей EDFA в линии связи определяет ее стоимость, сети DWDM городского масштаба обычно подразделяют на две группы: магистральные (междуофисные) сети и сети доступа.

Магистральные линии связи обычно имеют протяженность более 50 км, и для них типичны оптические и технические ограничения систем такой протяженности. При этом требования к их гибкости остаются высокими. Например, они могут использоваться провайдерами для предоставления высококачественных услуг связи. Хотя для линий такой протяженности часто требуются линейные оптические усилители, они могут быть достаточно экономичными при работе на низких скоростях передачи, что снижает стоимость таких систем.

Короткие линии связи городских сетей доступа имеют множество преимуществ. Для них становятся не нужными усилители EDFA, что дает ощутимую экономию средств.

Отсутствие усилителей EDFA приводит к существенному снижению требований к характеристикам сигнала, в частности, точности длины волны. Соответственно, упрощается выбор, тестирование и техническая поддержка компонентов (хотя для этих компонентов вносимые и другие потери могут оказаться даже более критичными).

Кроме этого нелинейные явления в компонентах и волокне перестают вызывать какие-либо проблемы. Наконец, при отсутствии усилителей EDFA можно увеличить число каналов и/или расстояние между ними за счет применения длин волн за пределами рабочего диапазона усилителей EDFA и еще больше снизить требования к качеству компонентов. Конфигурация и набор оборудования для городских сетей доступа за счет их простоты, могут достаточно сильно отличаться от сетей большой протяженности.

Городские системы DWDM часто имеют кольцевую топологию (либо в виде двух колец с противоположными направлениями передачи, либо в виде одного двунаправленного кольца), которая совместима с кольцевой топологией сетей SDH. Схемы мониторинга и защиты обеспечивают быстрое переключение каналов на резерв (за время порядка десятков миллисекунд) в случае выхода из строя какого-либо компонента или волокна.

Рисунок 26 - Городские сети

а) Кольцо TDM перегружено между узлами A и D ;

б) Рациональное решение - кольцо WDM

В кольцевой сети DWDM каналы добавляются и выделяются в произвольных точках кольца, поэтому балансировка каналов может быть затруднена, хотя из-за отсутствия усилителей EDFA она становится намного менее существенной. Кольцевая топология сети сама по себе также может приводить к определенным проблемам. Например, для доставки услуг кабельного телевидения в квартиры лучше всего подходят сети топологии типа «дерево». К счастью, для кольцевых сетей DWDM разработаны способы организации различных сетевых топологий («дерево», «точка-точка», широковещание и др.) за счет соответствующего использования большого числа доступных каналов в кольце.

Тем не менее, создание некоторых логических конфигураций сети может потребовать определенных изменений в физической сети.

Городская сеть WDM (рис.26 b) более экономична, чем традиционные линии связи SONET/SDH (рис.26 а). Сложность оборудования добавления / выделения каналов в сетях DWDM зависит только от характеристик этого канала, ему не приходится работать со всей информационной полосой линии связи. Кроме того, переход линии связи на технологию WDM и добавление новых услуг не нарушает передачу существующего трафика, что особенно важно при постоянных изменениях предоставляемых услуг [8].

Переход от электрической к полностью оптической сети может произойти раньше или позже, но в любом случае замена или дополнение одноканальной городской сети или городской сети TDM системами WDM дает намного больше, чем просто увеличение ее пропускной способности.

Передача сигналов в сетях WDM не ограничена определенными временными кадрами или протоколами, выбор которых до этого часто определялся возможностями используемых в сети систем передачи, а не удобством для пользователей. По сети WDM могут одновременно передаваться данные в самых разных форматах, в том числе аналоговые по своей сути потоки голоса и видео, в широком диапазоне скоростей. Удобные для пользователя протоколы - например, Ethernet - могут пропускаться прозрачно, без какой-либо трансформации сигнала, и в самой сети не нужно учитывать требования конкретного транспортного протокола.

Передачу информации в каждом канале и ее целостность можно резервировать индивидуально, в соответствие с конкретными требованиями для каждого канала. В частности, можно ограничиться существующими схемами резервирования на основе технологии SONET/SDH, без каких-либо специальных дополнительных мер. Маршрутизация в сети может быть достаточно гибкой и поддерживать самые разные приложения, от организации линии связи топологии «точка-точка» до сбора данных и широковещательных приложений.

Помимо всех этих преимуществ, городские сети WDM во многих случаях очень просто соединяются с магистральными сетями с сохранением скоростей и протоколов передачи. Компоненты и системы для городских сетей WDM в последнее время становятся доступны: цена двухволоконной между офисной линии связи составляет от 30 до 50 тыс. долларов США за канал, стоимость городских сетей доступа еще ниже.

Наряду с предложением новых услуг, переход к системам WDM должен обеспечивать клиенту все те механизмы резервирования, которые предусмотрены в сетях SONET/SDH. Для этого требуется тщательное всестороннее планирование сети, основными факторами при котором является цена, функциональность и возможность расширения сети в будущем [8].

4.3 Практический пример

Городские сети и сети доступа являются наиболее быстрорастущим сегментом глобальной сети связи. С учетом ежегодного удвоения интернет-трафика и появления новых видов информационных услуг перед оператором связи неизбежно встают следующие стратегические вопросы:

* Как обеспечить рост пропускной способности сети без перерыва в обслуживании?

* Как предоставить абонентам новые виды услуг и максимальное удобство пользования этими услугами?

* Как агрегировать однородные и разнородные потоки от цифровых систем передачи (ЦСП)?

Если кабельная инфраструктура сети построена с запасом и имеется большое количество не используемых, так называемых темных, волокон, то задача может быть решена очень просто: по мере необходимости к темным волокнам подключается активное оборудование и за счет передачи информации по новым волокнам расширяется пропускная способность сети связи. Но что делать, если запас темных волокон подошел к концу или если они проложены не там, где необходимо увеличить пропускную способность сети? Простой путь решения возникшей задачи - прокладка нового кабеля и увеличение количества одновременно передаваемых потоков информации за счет подключения все новых и новых волокон - бесперспективен, как и любой другой экстенсивный путь развития сети связи. В условиях сильной конкуренции и ценового давления, когда тарифы снижаются, для обеспечения прибыльности своей деятельности операторы связи должны снижать операционные и капитальные издержки. Но без применения передовых решений добиться снижения затрат невозможно. Именно поэтому стоит внимательно изучить новую для российских операторов связи перспективную технологию WDM. При правильном планировании и поэтапном вводе в эксплуатацию элементов сети данная технология позволяет решить все проблемы дальнейшего развития сети и защиты инвестиций.

4.3.1 Предоставление дополнительных потоков Е1 одному из клиентов

Рассмотрим сеть, объединяющую три клиентских узла с центральным узлом. Всем клиентам предоставляется поток SDH уровня STM-1. Для этого используется кольцо SDH уровня STM-1, создаваемое путем последовательного объединения центрального и абонентских узлов пара- ми волокон (рис. 27). Предположим также, что сеть STM-1 полностью загружена, а заказчик, обслуживаемый узлом B, запросил дополнительно 10 потоков E1. Предположим, что дополнительные волокна есть везде, кроме участка между центральным узлом и узлом C (рис 27).

Рисунок 27 - Структура типичной сети по обслуживанию трех клиентов потоком STM-1 одним центральным узлом

Оператор связи может решить задачу предоставления клиентскому узлу В запрошенных ресурсов несколькими способами.

1. Увеличить пропускную способность системы SDH до уровня STM-4.

2. Наложить параллельно существующему кольцу новое кольцо STM-1, проложив дополнительный кабель между центральным узлом и клиентским узлом С.

3. Наложить параллельно существующему кольцу новое кольцо STM-1, разместив между центральным узлом и узлом С WDM- оборудование, использующее имеющуюся пару волокон.

Решение 1. Увеличение пропускной способности системы SDH до уровня STM-4

Это решение не требует использования дополнительных волокон, а увеличение пропускной способности достигается только заменой активного оборудования. В частности, потребуется выполнить следующее.

* Заменить оборудование всех четырех узлов новым оборудованием уровня STM-4, при этом возможно использование старых систем электропитания и шкафов.

* Установить дополнительные карты E1 в центральном узле и узле В.

Стоимость оборудования и всего решения приведена в таблице 2.

Таблица 2 - Сводная таблица стоимости при апгрейде кольца до уровня STM-4

Решение 2. Второе кольцо STM-1 с прокладкой кабеля.

Суть этого решения - прокладка дополнительного кабеля на участке от центрального узла до клиентского узла С. После этого в распоряжении оператора связи появляется пара волокон, объединяющая все узлы в но- вое кольцо, которое используется для создания второй системы SDH уровня STM-1.

Это решение требует выполнить следующее:

* Проложить оптический кабель на участке между центральным узлом и узлом C (рис. 28).

* Установить дополнительное STM-1 оборудование на центральном узле.

* Установить на узле В дополнительные карты E1.

Стоимость второго решения существенно зависит от того, имеется ли в канализации место для дополнительного кабеля, или необходимо строить новую канализацию.

Рисунок 28 - Структура сети по обслуживанию трех клиентов двумя потоками STM-1 по четырем волокнам

Чаще встречается ситуация, когда в канализации места нет. Стоимость решения в этом случае приведена в таблице 3. В таблице приведена усредненная оценка стоимости строительства. Реально затраты на строительство могут варьироваться в очень широких пределах в зависимости от выбранной технологии строительства и местных условий.

Таблица 3 - Сводная таблица стоимости при введении второго кольца STM-1 с прокладкой кабеля и строительства новой трассы

Ситуацию, когда у оператора есть возможность проложить дополнительный кабель в кабельную канализацию, можно назвать удачной для оператора. В этом случае издержки складываются из стоимости работ, оцениваемой в среднем как 2-2,5 долл. за метр прокладки оптического кабеля (ОК) до 16 волокон с установкой одной муфты (средняя цена работ по Москве), и стоимости ОК (оценка 0,800-1 долл. за метр) (данные строительных телекоммуникационных компаний Москвы). Стоимость решения в этом случае приведена в таблице 4.

Таблица 4 - Сводная таблица стоимости при введении второго кольца STM-1 с прокладкой кабеля по старой трассе

Решение 3. Использование WDM

Третий путь решения проблемы - создание второго кольца SDH, использующего на участках от центрального узла до узла А и между узлами А-В и В-С имеющиеся свободные волокна, а на участке от центрального узла до абонентского узла С оборудование спектрального уплотнения WDM и два канала на разных длинах волн.

Реализовать систему WDM на участке от центрального узла до узла С можно несколькими способами. Для примера рассмотрим два варианта.

Вариант А. Первое кольцо SDH уровня STM-1 первоначально работало на длине волны 1310 нм, и поэтому целесообразно по возможности оставить его без изменений. Дополнительное кольцо STM-1 на участке от центрального узла до абонентского узла С будет работать на длине волны 1550 нм, а на остальных участках - на длине волны 1310 нм с использованием свободной пары волокон. Следовательно, в узле С необходимо установить преобразователи длины волны. Кроме того, в центральном узле и абонентском узле С необходимо установить мультиплексоры, объединяющие две длины волны (рис. 29).

Рисунок 29 - Структура сети по обслуживанию трех клиентов двумя потоками Е1 с использованием WDM

Стоимость данного решения приведена в таблице 5.

Цены на WDM-оборудование взяты у отечественного производителя. В комплект WDM входят несколько транспондеров и комплекты мультиплексоров / демультиплексоров.

Таблица 5 - Сводная таблица стоимости при использовании WDM

Вариант Б. Этот вариант отличается от рассмотренного выше только одним: вместо оборудования (мультиплексоры и транспондеры) WDM на две длины волны 1300/1550 нм используется оборудование DWDM.

Стоимость этого решения приведена в таблице 6.

Таблица 6 - Сводная таблица стоимости при использовании DWDM

4.3.2 Сравнение вариантов решения задачи

Рассмотрев возможные решения задачи предоставления дополнительных потоков Е1 одному из клиентов, мы оценили их стоимость (таблица 7).

Таблица 7 - Сравнение вариантов решения задачи

Наиболее экономичным оказалось решение , использующее двухволновое спектральное уплотнение - WDM 1300/1550 нм (26 000 долл.). Наихудшим - решение, требующее прокладки кабеля в грунт (141 000 долл.). При удачном, но редко встречающемся стечении обстоятельств, когда имеется свободное место в канализации, довольно экономичным является решение, основанное на прокладке кабеля в канализацию. Следует отметить, что, хотя стоимость является важнейшим критерием, при выборе оптимального решения необходимо принимать во внимание и другие характеристики сравниваемых решений, приведенные ниже. К ним относятся:

* время реализации;

* сетевой ресурс;

* масштабируемость, т.е. потенциал дальнейшего наращивания пропускной способности;

* универсальность (т.е. способность передавать разнородные потоки информации).

По масштабируемости и универсальности решения нет равных исполь- зованию технологии DWDM. Прозрачность WDM-оборудования к разнообразным протоколам передачи позволяет организовать между узлами передачу любого трафика (от аналогового видео- до цифрового интернет-трафика), причем любое оборудование, например ATM и IP-коммутаторы, может напрямую подключаться к WDM-оборудованию без предварительной инкапсуляции в SDH фреймы. Потенциальная возможность увеличения числа спектральных каналов до 80 и более делает решение на основе DWDМ неограниченно масштабируемым с практической точки зрения. Замена оборудования SDH является более дорогим решением, но обладает наибольшим сетевым ресурсом, так как обеспечивает передачу вдвое большего потока информации, чем все остальные решения. Поэтому, если ожидается быстрый рост телефонного трафика при незначительной потребности в передаче других типов информации, это решение может оказаться оптимальным. Анализ ведущей консалтинговой фирмы RHK показывает, что новые поколения SDH- и WDM-оборудования являются наиболее быстрорастущими сегментами рынка телекоммуникационного оборудования на Западе, конкурирующими между собой в небольших однородных сетях. Как мы увидим из второго примера, в смешанных насыщенных сетях не существует альтернативы технологии WDM [9].

Заключение

В результате выполнения курсовой работы предложены три варианта предоставления дополнительных потоков Е1 в рассматриваемой конфигурации сети городского типа. Из них выбран вариант дополнительного введения WDM оборудования как самый оптимальный вариант. Последнее следует из проведенного анализа типичной ситуации нехватки пропускной способности оптоволоконных магистралей возникающих у городских операторов телефонной связи. На основании этого анализа сделан вывод, что при неопределенном росте трафика использование WDМ-технологии позволяет провайдеру гибко реагировать на рост потребностей заказчика, без риска вложить активы в волокна, которые долгое время могут оставаться темными (не рабочими). Кроме того, согласно проведенному анализу WDM-технология наиболее эффективна там, где требуется срочность и необходимо избежать долгосрочного строительства новой ВОЛС.

Вышеуказанный анализ был проведен на примере элемента сети с обслуживанием трех клиентов потоком STM-1 и одним центральным узлом. Вариант установки нового оборудования уровня STM-4, на перегруженном участке сети уровня STM-1 является не самым оптимальным по показателям: стоимости 72000$, для данной сети, двухкратной масштабируемости и средней универсальности. Прокладка оптического волокна не рентабельна по всем показателям, так как скорость строительства ВОЛС в городских условиях может быть всего 50-60 метров в неделю с учетом задержек на решение организационных вопросов. Длительность строительства кольца ВОЛС протяженностью 70 километров займет 10 месяцев. При этом инсталляция дополнительных каналов в WDM-технологии с пусконаладкой занимает 2-3 недели. Для данного варианта сети стоимость составляет 36000$ с возможной масштабируемостью в 20 раз выше и наибольшей универсальностью.

Выше изложенные факты показывают, что выводы сделанные в данном курсовом проекте очевидны и в будущем многие операторы связи будут приходить именно к такому решению проблемы нехватки пропускной способности оптоволоконных магистралей.

Список использованных источников

1. Оптические линии связи // Новосибирск: Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики. - 2003. - (Рус.). - URL: http://center.neic.nsk.su/page_rus/start.htm [15 мая 2005]

2. Скляров О. К. Современные волоконно-оптические системы передачи, аппаратура и элементы. - М.: Солон-Р, 2001. - 240с.

3. Основы оптоэлектроники / Суэмацу Я., Катаока С., Кисино К. и др. Пер. с яп. - М.: Мир, 1998. - 288 с., ил.

4. Заславский К. Е. Волоконная оптика в системах связи и коммутации. Новосибирск, 1999. - 124 с.

5. Иванов А. Б. Волоконная оптика: компоненты, системы передачи, измерения. - М.: Компания САЙРУС СИСТЕМС, 1999. - 672с.

6. Семенов А. С. Интегральная оптика для систем передачи и обработки информации / А. С. Семенов, В. Л. Смирнов, А. В. Шмалько - М.: Радио и связь, 1990. - 224 с.

7 Убайдуллаев Р. Р. Волоконно-оптические сети. - М.: Эко-Трендз, 1998. - 270 с.

8. Андре Жирар. Руководство по технологии и тестированию систем WDM. Пер. англ. под ред. А. М. Бродниковского , Р. Р. Убайдуллаева , А. В. Шмалько. М. : EXFO , 2001 .

9. Гладышевский М.А. Волоконно-оптическая связь: Экономические перспективы использования WDM-технологии // Lightwave Russian Edition. 2004 , № 2 , С. 14-19 .

Размещено на Allbest.ru