Как выбрать мультиплексор? Виды мультиплексоров

Проектирование любой системы спектрального уплотнения xWDM начинается с выбора мультиплексирующих устройств, и не всегда легко сделать этот выбор, разобраться в обилии модификаций оборудования и нюансах его применения. В этой статье мы постарались раскрыть все возникающие вопросы и наглядно показать тонкости применения тех или иных устройств.

Определение потребностей

Выбор xWDM оборудования или целой системы уплотнения необходимо начинать с подготовки технического задания, которое должно включать в себя:

1. Схему сети, которую необходимо реализовать или которая существует на данный момент и нуждается в расширении.
2. Протяженность ВОЛС, на базе которых предполагается развернуть сеть.
3. Рабочие характеристики волокон, задействованные в развертывании сети. По большей части при построении системы передачи необходимо знать три основных характеристики:
   • Тип волокна;
   • Значение вносимых волокном затуханий на длине волны 1310 нм;
   • Значение вносимых волокном затуханий на длине волны 1550 нм.
4. Возможные резервы волоконной инфраструктуры и возможность организации промежуточных узлов связи, разделив при этом узлы на пассивные (без электропитания) и активные – с возможностью обеспечения электропитания активного оборудования.
5. Оконечное активное оборудование, которое планируется использовать в качестве канало образующего, и его ограничения, если такие есть.
6. Количество организуемых каналов в каждом из направлений в случае, если система передачи имеет топологию сложнее чем «Точка-точка».
7. Тип передаваемого трафика в каждом канале связи.
8. Возможное расширение системы передаче в будущем.
9. При проектировании сложной системы уплотнения, включающей в себя множество узлов связи, рекомендуется для наглядности построить «Матрицу каналов».

Первые пять пунктов из приведенного списка необходимы для полного описания существующей инфраструктуры, исходя из которого можно оценить все возможности и ограничения. Последние четыре пункта непосредственно описывают требуемую систему уплотнения. Совместив полученные данные можно достаточно точно определить технологию уплотнения и оборудование наиболее подходящие для решения поставленной задачи.

Технологии уплотнения

Принято рассматривать две основные технологии спектрального уплотнения, используемого на сетях передачи данных – CWDM и DWDM, но прогресс не стоит на месте, и к ним прибавились такие молодые технологии, как LWDM и SWDM.

Технология CWDM

Исторически первая технология спектрального уплотнения, обеспечивающая многоканальную передачу данных – CWDM (от англ. Coarse Wavelength Division Multiplexing), грубое спектральное уплотнение. Рабочий диапазон длин волн CWDM составляет 1270-1610 нм, в рамках которого организованно 18 несущих длин волн с шагом 20 нм. Таким образом, при помощи CWDM можно организовать до 9 дуплексных каналов связи в рамках одного оптического волокна.

Системы CWDM зачастую используются для организации каналов связи со скоростью не выше 1,25 – 2,5 Гбит/с, то есть основная сфера применения CWDM – это организация сетей Gigabit Ethernet и Mobile Backhaul сети. Такие ограничения связаны с несколькими факторами:

1. Экономический фактор. Стоимость CWDM оборудования для организации каналов связи 1,25/2,5 Гбит/с значительно выгоднее аналогов, к примеру, DWDM оборудования.
2. Дальность передачи. В рамках системы спектрального уплотнения CWDM дальность передачи каналов 1,25/2,5 Гбит/с может составлять до 160 км (оптический бюджет системы может достигать 41 дБ).
3. Ограничения для каналов 10 Гбит/с. В настоящее время в системах уплотнения CWDM можно полноценно организовать 6 каналов связи со скоростью передачи ~10 Гбит/с. Это связано с тем, что для длин волн 1350-1450 нм не выпускаются EML лазеры, а максимальная дальность существующих ограничивается 15-25 км, это не позволяет говорить о полноценной поддержке 9 каналов 10 Гбит/с в рамках CWDM. Но и дальность оставшихся 6 каналов составляет 2 – 65 км. При этом итоговая стоимость всей системы уплотнения CWDM в данном случае окажется значительно выше аналогичной DWDM системы.

Отдельно необходимо отметить, что CWDM уплотнение может органично совмещаться с передачей КТВ сигналов в рамках одного оптического волокна. Причем сигнал КТВ может передаваться, как на длине волны 1310 нм, так и на 1550 нм. Именно, в связи с этим, в рамках мультиплексирующего CWDM оборудования, появилась отдельная и достаточно популярная ветка – CWDM мультиплексоров + КТВ.

Если подытожить, технология спектрального уплотнения CWDM в полной мере раскрывается в рамках систем передачи низкоскоростных каналов связи, таких как 1,25 Гбит/с и 2,5 Гбит/с и совместной передачи каналов связи и сигнала КТВ.

Технология DWDM

DWDM (от англ. Dense Wavelength Division Multiplexing) – плотное спектральное уплотнение, технология многоканальной передачи данных с бо́льшим количеством несущих длин волн в рабочем диапазоне, в сравнении с CWDM. Рабочие диапазоны DWDM: C (1530-1565 нм), S (1460-1530 нм) и L (1565-1625 нм) с шагом между несущими 25-200 ГГц. Наиболее распространённым является С-диапазон.

В зависимости от поколения расстояние между несущими длинами волн и, как следствие, количество несущих в диапазоне изменялось.

• 200 ГГц. Расстояние между несущими составляет 1,6 нм, общее количество несущих в С-диапазоне – 22.
• 100 ГГц. «Классическая» сетка частот DWDM с расстоянием между несущими 0,8 нм и общим количеством несущих в С-диапазоне 44.
• 50 ГГц. В некоторых источниках называется HDWDM (High Dense Wavelength Division Multiplexing), расстояние между несущими длинами волн составляет 0,4 нм, а количество несущих в этой сетке равно 88 для С-диапазона.

Основным отличием технологии DWDM от других является возможность усиления передаваемых оптических сигналов без дополнительных OEO преобразований. Рабочий диапазон стандартных оптических усилителей на основе волокна, легированного эрбием (EDFA) 1529 – 1565 нм, именно из-за этого наиболее популярным и используемым стал С-диапазон DWDM.

В целом, системы спектрального уплотнения DWDM можно охарактеризовать, как высокоплотные (с большим количеством каналов передачи данных) и дальнобойные (дальность передачи может составлять более 100 км). При этом необходимо отметить, что реализация в рамках DWDM низкоскоростных каналов связи (скорость передачи ниже 10 Гбит/с) экономически невыгодна и может быть применима в тех случаях, когда необходимо реализовать большое количество низкоскоростных каналов в рамках ограниченного количества волокон.

Наиболее популярными и массовыми на данный момент являются системы спектрального уплотнения DWDM в сетях 10 Gigabit Ethernet. Это связано с их востребованностью на рынке и сравнительно низкой ценой канала, в купе с большими возможностями дальнейшего развития, по сравнению с аналогичными решениями на базе CWDM.

Технология LWDM

LWDM (от англ. Local Area Network Wavelength Division Multiplexing) спектральное уплотнение для локальных сетей – технология, используемая для организации высокоскоростных каналов передачи – 25G, 100G, 200G, 400G.

В качестве рабочего диапазона используется O-band – второе окно прозрачности (1260-1360 нм), так как оно обладает достаточно низкими вносимыми затуханиями и почти нулевой хроматической дисперсией. Расстояние между несущими длинами волн составляет около 4,5 нм. Такая частотная сетка выбрана в связи с тем, что имеющихся CWDM лазеров, работающих в О-диапазоне будет недостаточно для организации необходимого количества несущих в выбранном оптическом диапазоне, а использование фильтров и лазеров по технологии DWDM в рамках локальных высокоскоростных подключений неоправданно дорого.

Как таковых систем уплотнения LWDM на данный момент не строится, максимально близкое по духу решение на базе этой технологии – это агрегация высокоскоростных интерфейсов из нескольких менее скоростных, так называемое Breakout соединение.

Технология SWDM

SWDM (от англ. Shortwave Wavelength Division Multiplexing) коротковолновое спектральное уплотнение. Технология спектрального уплотнения многомодовых оптических сигналов, применяемая в высокоскоростных трансиверах. Рабочий диапазон длин волн SWDM составляет 850 – 940 нм (первое окно прозрачности), в рамках которого организованно 4 несущих длины волны с шагом 30 нм.

В основном эта технология нашла применение в высокоскоростных SR (Short Range) соединениях при помощи многомодового волокна ОМ5. Пассивная часть – мультиплексор SWDM в отличие, от CWDM или DWDM является частью трансивера, а не самостоятельным пассивным устройством.

Технология гибридной передачи DWDM+CWDM

По сути, данный вид уплотнения нельзя рассматривать, как самостоятельную технологию, так как это всего лишь наложение частотной сетки одной технологии уплотнения на другую, с целью повышение итоговой эффективности.

В гибридных системах уплотнения используется пересечение рабочего диапазона DWDM и двух несущих длин волн CWDM – 1530 и 1550 нм, это пересечение позволяет передавать ограниченное число DWDM длин волн в рамках CWDM.

Подобные системы могут быть востребованы в двух случаях:

1. Бюджетное увеличение канальной емкости, существующей CWDM системы, для этого необходимо подключить в CWDM длины волн 1530 и 1550 нм специальный DWDM мультиплексор.
2. Экономически эффективная организация протяженной системы уплотнения с одновременной передачей низкоскоростных каналов в рамках CWDM и высокоскоростных в DWDM.

Особенности DWDM мультиплексоров

В связи с бурным ростом и распространением технологии DWDM, мультиплексоры для данного типа систем спектрального уплотнения производятся по нескольким технологиям.

1. TFF (от англ. Thin Film Filter) – технология производства мультиплексоров на основе тонкопленочных фильтров. Подробнее.
Данный тип мультиплексоров имеет сравнительно низкую цену на уровне аналогичных CWDM устройств, но вместе с тем обладает и рядом существенных ограничений:

• При бо́льшей емкости, бо́льшие затухания. Это происходит из-за того, что мультиплексор представляет собой «гирлянду» из последовательно соединенных между собой фильтров, по которой необходимо пройти сигналу. При этом необходимо помнить, что на прохождение одного фильтра «тратиться» примерно 0,4 дБм оптической мощности сигнала. Данное ограничение становиться ощутимой при количестве фильтров в мультиплексоре более 16 (8 дуплексных каналов связи).
• Неравномерность затуханий. Данное явление происходит из первого пункта, так как оптические сигналы проходят разные пути (разное количество фильтров). Это может быть критичным фактором при построении высокоплотных систем с использованием оптических усилителей, так как неравномерность оптических мощностей сигналов на входе будет значительно увеличена после прохождения усилителя. Критические неравномерности сигналов могут привести к поглощению одним сигналом другого и, как следствие, неисправности некоторых каналов. Для нивелирования этого эффекта необходимо использовать аттенюаторы в составе мультиплексора, что значительно усложняет инсталляцию и пуско-наладку системы уплотнения.

2. AWG (от англ. Arrayed Waveguide Grating) технология производства мультиплексоров на основе массива волноводов. Подробнее.

Мультиплексоры, произведенные по данной технологии, отличаются сравнительно низким вносимым затуханием 3-3,5 дБ и небольшой неравномерностью вносимых затуханий ~±0,5 дБ. При этом стоимость таких мультиплексоров выше TFF аналогов.

При построении систем уплотнения DWDM с использованием оптических усилителей EDFA необходимо обеспечить двухпроводную кабельную инфраструктуру, но это не всегда возможно. Вне зависимости от кабельной инфраструктуры использование оптических усилителей обязывает использовать двухволоконные мультиплексоры и OADM, а для «организации» двух волокон в таких системах уплотнения применяют широкополосные Red/Blue фильтры. Они позволяют создать два спектрально разделенных световых потока, Red-диапазон (1547,72 – 1565,5 нм), и Blue-диапазон (1528,77 – 1543,73 нм).

Но при подобном построении сети необходимо учитывать, что каждый широкополосный фильтр будет вносить затухание ~0,5 – 0,7 дБ, которые в итоге увеличат оптический бюджет линии (в случае если речь идет о топологии «точка-точка») на 1,5 дБ, это может быть критичным для протяженных трасс или линий с высокими значениями вносимого затухания.

Типы мультиплексирующих устройств

Оптический фильтр – FWDM

В большинстве материалов оптический фильтр рассматривается, как компонент мультиплексора построенного по технологии TFF, но в некоторых случаях он может выступать и как самостоятельное устройство. Например, когда необходимо организовать одноканальную систему передачи в рамках одного оптического волокна, в данном случае система повторяет логику построения канала связи при помощи WDM-трансиверов: на каждом узле связи есть приемник, передатчик и призма, распределяющая приходящий и исходящий потоки.

Но если это решение полностью повторяет WDM, зачем его использовать? В некоторых случаях, к примеру, при построении протяженных 10 Гбит/с каналов, это экономически выгодное решение. Чаще всего, таким образом заменяются трансиверы WDM SFP+ ZR или WDM XFP ZR, эти модули не новые, но их стоимость до сих пор остается весьма высокая, вместо них канал организовывают при помощи DWDM SFP+ ZR/DWDM XFP ZR и пары DWDM фильтров.

Также в качестве самостоятельных компонентов часто используются широкополосные xWDM фильтры, как самостоятельное мультиплексирующее устройство, так и в качестве отдельного компонента системы уплотнения. Яркими примерами таких фильтров являются:

1. DWDM Red/Blue фильтры в одноволоконных системах уплотнения с использованием оптических усилителей.
2. Широкополосные WDM фильтры в сетях PON, мультиплексирующие сигнал КТВ и канал передачи данных PON в одно волокно.

Мультиплексоры ввода/вывода – OADM

Устройства OADM изначально являются самостоятельными устройствами мультиплексирования и используются для организации промежуточных узлов связи, но в исключительных случаях на основе OADM может быть построена вся система уплотнения. Наиболее распространенной схемой использования OADM можно назвать гибридную систему уплотнения WDM+CWDM, в которой в рамках одного оптического волокна необходимо организовать одновременную передачу канала, построенного по технологии WDM и дополнительного канала, организованного при помощи технологии CWDM или DWDM.

К примеру, существует линия связи организованная при помощи WDM SFP+ или WDM XFP, емкость этой линии необходимо расширить на еще один канал 10 Гбит/с, самым простым решением была бы организация системы уплотнения CWDM/DWDM, но это требует больших затрат и вынуждает снять с сети рабочее оборудование. Более бюджетным и элегантным решением будет дооснастить линию связи двумя одноканальными OADM и необходимыми трансиверами CWDM или DWDM, таким образом, существующее оборудование оставлено на линии, а задача решена с минимальными затратами.

Мультиплексор/демультиплексор

Оптический мультиплексор является основополагающим компонентом любой системы уплотнения xWDM. По типам исполнения мультиплексоры можно разделить на:

1. Одноволокнный мультиплексор – устройство, в котором мультиплексирование исходящих сигналов и демультиплексирование приходящих сигналов происходит одновременно в рамках одного устройства. На данный момент это наиболее популярный тип мультиплексоров для пассивных систем уплотнения xWDM (систем без использования оптических усилителей), так как позволяет организовывать передачу нескольких каналов по одному волокну.

2. Двухволоконный мультиплексор – классическое исполнение оптических мультиплексоров для систем уплотнения CWDM, а в последствии и DWDM, в котором мультиплексирование происходит в отдельном устройстве (мультиплексор), а демультиплексирование в другом (демультиплексор).

В современных сетях двухволоконные мультиплексоры зачастую используются в системах уплотнения DWDM с использованием оптических усилителей, это вызвано тем, что усилители способны передавать оптический сигнал только в одном направлении – «вход-выход», что делает невозможным использование одноволоконных мультиплексоров.

Так же, двухволоконные устройства могут использоваться для снижения оптического бюджета трассы путем снижения максимального вносимого мультиплексорами затухания за счет деления мультиплексора на приемную и передающую часть. Таким образом, можно снизить вносимое мультиплексором затухание 1,5-2 раза.

Специальные мультиплексирующие устройства

В данный тип можно отнести любые мультиплексирующие устройства, имеющие более сложную структуре в отличие от описанных ранее. Устройства такого рода производятся для решения индивидуальных задач и очень редко тиражируются, так как в каждом случае решают конкретную и узкоспециализированную задачу в рамках определенной системы уплотнения. Как пример можно привести OADM предназначенный для разбиения DWDM диапазона по двум направлениям с сохранением Red/Blue каналов для каждого направления.

Или мультиплексор с функцией неизменяемого оптического коммутатора, для организации топологии «Дерево» с пассивным узлом агрегации.

Таких примеров может быть еще много, но все они будут решать одну конкретную задачу, одной конкретной оптической линии.