Sieci transportowe DWDM. Prof. nzw. dr hab. inż. Krzysztof Perlicki

Transkrypt

1 Sieci transportowe DWDM Prof. nzw. dr hab. inż. Krzysztof Perlicki Warszawa,

2 Rodział I: Wprowadzenie Systemy ze zwielokrotnieniem falowym lub inaczej mówiąc z podziałem długości fali (ang. Wavelength Division Multiplexing) są systemami transmisji optycznej w których zwielokrotniana jest długość (częstotliwość) fali nośnej. W tego typu systemach transmisji optycznej w jednym włóknie światłowodowym transmitowanych jest wiele nośnych optycznych o różnych długościach fali. Biorąc pod uwagę gęstość zwielokrotnienia tj. odległość między kanałami optycznymi systemy ze zwielokrotnieniem falowym można podzielić na: 1. Systemy NWDM (ang. Narrow WDM). Są to wąskopasmowe systemy WDM z odległością między kanałami wynoszącą od 100 nm (13 THz) do 1 nm (130 GHz). 2. Systemy CWDM (ang. Coarse WDM). Są to tzw. grube systemy WDM z odległością między kanałami na poziomie kilkunastu lub kilkudziesięciu nm. 3. Systemy DWDM (ang. Dense WDM). Są to tzw. gęste systemy WDM z odległością między kanałami wynoszącą od 1 nm (130 GHz) do 0,1 nm (13 GHz). 4. Systemy OFDM (ang. Optical Frequency Division Multiplexing). Są to systemy ze zwielokrotnieniem w dziedzinie częstotliwości optycznych z odległością między kanałami wynoszącą od 0,1 nm (13 GHz) do 0,01 nm (1,3 GHz). 5. Systemy DOFDM (ang. Dense OFDM). Są to gęste systemy OFDM z odległość między kanałami mniejszą od 0,01 nm (1,3 GHz). Często systemy z odległością między kanałami mniejszą od 0,1 nm oznaczane są skrótem UDWDM (ang. Ultra DWDM) lub HDWDM (ang. High DWDM). Każdy z wymienionych systemów znajduje zastosowanie w trochę innych obszarach telekomunikacji. Systemy NWDM i CWDM są stosowane w sytuacjach gdy liczba kanałów optycznych nie przekracza kilku (zwykle 8) kanałów. Ich główny obszar zastosowania to sieci miejskie i sieci dostępowe. Z kolei gęste zwielokrotnienie jest wykorzystywane do transmisji kilkudziesięciu a nawet kilkuset kanałów optycznych. Główny obszar zastosowanie tego typu rozwiązań obejmuje sieci dalekiego zasięgu; rzadziej sieci miejskie. Koncepcja zwielokrotnienia falowego została po raz pierwszy szerzej omówiona w artykule autorstwa O. E. DeLange pt.: Wide-band optical communication systems, Part II-Frequency- Division Multiplexing, który ukazał w nr 10 Proceedings of IEEE z roku W latach 70- tych pojawiają się pierwsze elementy składowe potrzebne do budowy systemów ze zwielokrotnieniem falowym, a pierwsze próby praktycznego zastosowania tej techniki transmisji przeprowadzono w warunkach laboratoryjnych w roku Opis tego eksperymentu można znaleźć w artykule S. Sugimoto pt.: High-speed digital-signal transmission experiments by optical wavelength-division multiplexing, który został opublikowany w czasopiśmie Electronics Letters w października 1977 roku. Jednakże ich pierwsze komercyjne wdrożenia odnotowujemy dopiero w połowie lat 80-tych. Były to systemy wykorzystujące dwa kanały optyczne na długości fali 1310 nm i 1550 nm. Były one 1

3 określane mianem szerokopasmowych systemów WDM (ang. WWDM - Wideband WDM). Wraz z rozwojem technologii półprzewodnikowej pozwalającej na produkowanie tanich, niezawodnych i o dobrych parametrach laserów półprzewodnikowych pracujących w obszarze trzeciego okna optycznego zaczęto w latach 90-tych interesować się systemami WDM pracującymi tylko w rejonie długości fali 1550 nm. Wykorzystanie rejonu trzeciego okna optycznego daje wiele korzyści do których przede wszystkim należy zaliczyć: niską tłumienność światłowodu, małą wartość dyspersji chromatycznej (przy stosowaniu włókien światłowodowych z przesuniętą charakterystyką dyspersji), możliwość wzmocnienia sygnału na drodze optycznej za pomocą wzmacniaczy wykorzystujących włókna krzemionkowe domieszkowane erbem. Początkowo były to systemy o liczbie kanałów od 2 do 8 z odstępem wynoszącym 200 GHz lub 400 GHz. W połowie lat 90-tych pojawiają się systemy o większej liczbie kanałów wynoszącej 16 oraz 32 z odstępem między kanałami na poziomie 100 GHz lub 200 GHz. Pod koniec lat 90-tych mamy do czynienia z wdrożeniami do eksploatacji systemów o liczbie kanałów przekraczającej 64 i odstępie między nimi wynoszącym 50 GHz lub 100 GHz. Kolejne zwiększanie gęstości upakowania kanałów optycznych było ściśle związane z udoskonalaniem konstrukcji laserów półprzewodnikowych oraz krotnic falowych tj. multiplekserów i demultiplekserów. W 1998 roku pojawia się pierwsze zalecenie ITU-T (ang. International Telecommunication Union - Telecommunication) dotyczące systemów WDM; jest to dokument G. 692 pt.: Optical interfaces for multichannel systems with optical amplifiers. Ostatnie lata przynoszą wdrażanie systemów o ciągle zwiększającej się liczbie kanałów. Zwiększanie liczby kanałów jest uzyskiwane nie tylko przez zmniejszenie odstępu między kanałami, ale również przez adoptowanie do celów transmisyjnych dodatkowych pasm optycznych. W Polsce pierwsza testowa instalacja systemu ze zwielokrotnieniem falowym miała miejsce w roku 1999 w sieci Telekomunikacji Polskiej. Transmisję przeprowadzono w relacji Warszawa-Bydgoszcz. Wykorzystano do tego celu system firmy Lucent Technologies OLS400G o 80 kanałach optycznych. Zmiany zachodzące w systemach ze zwielokrotnieniem falowym nie idą tylko w kierunku zwiększenia przepustowości (inaczej mówiąc pojemności informacyjnej) światłowodów przez dodawanie kolejnych kanałów, zmianie podlega również wykorzystywana topologia sieci. W pierwszym etapie rozwoju tych systemów dominowała topologia najprostsza tj. typu punktpunkt. Wraz z próbami wykorzystania systemów ze zwielokrotnieniem falowym do zastosowań wymagających większej elastyczności (np. w sieciach miejskich) zaczęto stosować topologię pierścieniową. Rozwój tego typu systemów rozpoczął się w drugiej połowie lat 90-tych. Taka konstrukcja systemu wymaga realizowania funkcji wprowadzania i wyprowadzania (ang. add - drop) kanałów optycznych na drodze optycznej. Wymusiło to pojawienie się i rozwój optycznych krotnic transferowych początkowo nieprzestrajalnych, a później również przestrajalnych. Dalszy rozwój sieci optycznych to przejście do topologii o większej elastyczności czyli kratowej bądź w fazie przejściowej do mieszanej łączącej cechy 2

4 topologii pierścieniowej i kratowej. Tu z kolei specyfika praca tego typu konfiguracji połączeniowej wymusza wprowadzenie nowego elementu - przełącznicy optycznej, która umożliwia przełączanie kanałów na drodze optycznej. W systemach WDM daje się również zauważyć zmiany prowadzące do zwiększania się ich elastyczności ; czyli w kierunku systemów gdzie kanały optyczne o określonej długości fali nie są już przypisane do danego użytkownika ale są przydzielane w sposób dynamiczny. Tego typu rozwiązania wymagają wprowadzenia do użytku konwerterów długości fali. Technika transmisji WDM dzięki zapewnianiu olbrzymich przepustowości oraz dzięki swej prostocie działania, a przez to i dużej niezawodności, jest w stanie sprostać wciąż wzrastającym wymaganiom na pasmo, co jest bezpośrednio wywołane przez wdrażanie coraz bardziej złożonych usług teleinformatycznych. Prognozy co do przyszłych wymagań na pasmo są różne. W latach 70-tych, 80-tych i częściowo 90-tych miał miejsce liniowy wzrost iloczynu przepustowości informacyjnej i odległości. Jednakże od połowy lat 90-tych zauważalne jest odchodzenie od liniowego charakteru tych zmian. Przepustowość systemów optycznych nie podwaja się dwukrotnie co 6 miesięcy jak to opisuje tzw. optyczne prawo Moore a, ale co 45 miesięcy. Iloczyn przepustowości informacyjnej i odległości jest równy 10 2 r/3,75, gdzie r jest danym rokiem minus W chwili obecnej wydaje się, że wykorzystanie techniki WDM pozwoli na sprostanie takim wymaganiom. Zaspokojenie takich potrzeb będzie się oczywiście wiązać z wieloma zmianami współcześnie pracujących systemów; należy się tu spodziewać chociażby rozszerzenia zakresu wykorzystywanych pasm optycznych. Jeśli chodzi o rozwiązania, które mogą być konkurencyjne względem techniki WDM to można tu wspomnieć o systemach ze zwielokrotnieniem czasowym (ang. TDM Time Division Multiplexing). Jednakże współczesne systemy WDM pozwalają na uzyskanie przepustowości zdecydowanie przekraczających możliwości nawet najlepszych systemów ze zwielokrotnieniem czasowym. W przypadku tych ostatnich największym ograniczeniem jest szybkość pracy elementów elektronicznych. Zakłada się, że systemy wykorzystujące zwielokrotnienie czasowe w dziedzinie elektrycznej (ang. ETDM - Electrical TDM) mogą zapewnić przepływności dochodzące do ok. 50 Gbit/s. Powyżej należy stosować drogie i dość wyrafinowane, pod względem technicznym, metody generowania bardzo krótkich impulsów światła i ich zwielokrotnienia w dziedzinie optycznej (ang. Optical TDM). 3

5 Rozdział II: Wybrane elementy składowe systemów WDM 2.1. Źródła światła Źródła światła wykorzystywane w technice transmisji WDM można podzielić na źródła emitującą jedną długość fali i są to lasery przestrajalne i nieprzestrajalne oraz lasery emitujące wiele długości fali. Do najczęściej stosowanych konstrukcji laserów generujących jedną długość fali możemy zaliczyć: lasery Fabry-Perot, lasery z rozłożonym sprzężeniem zwrotnym (ang. DFB Distributed FeedBack) i z rozłożonym reflektorem Bragga (ang. DBR - Distributed Bragg Reflector) oraz lasery z pionową wnęką emitujące powierzchniowo (ang. VCSEL Vertical Cavity Surface Emitting Laser). Na rys. 2.1 pokazano konstrukcję lasera Fabry-Perot, a na rys.2.2 lasery typu DFB i DBR. Rys Konstrukcja lasera Fabry-Perot Rys Konstrukcja lasera typu DFB (a) i DBR (b) Z kolei konstrukcja lasera VCSEL została przedstawiona na rys

6 Rys Konstrukcja lasera VCSEL Szczególnie duże znaczenie ma ostatnia z przedstawionych konstrukcji. Lasery tego typu emitują wiązkę o przekroju kołowym i o bardzo małej rozbieżność ze względu na niewielką dyfrakcję; poza tym emitowana wiązka światła nie wykazuje astygmatyzmu. Lasery tego typu generują pojedynczy mod wzdłużny oraz pracują przy prądzie zasilania stanowiącym ok. 33% prądu zasilania lasera Fabry-Perot i 25 % lasera DFB. Z punktu widzenia techniki WDM bardzo ważna jest możliwość przestrajania źródeł światła. Jako lasery przestrajalne wykorzystuje się przede wszystkim konstrukcje oparte na laserach: DFB, DBR, z zewnętrzną wnęką rezonansową czy też VCSEL. Lasery przestrajalne powinny spełniać następujące wymagania: - niezawodność: długi czas życia, - stabilność: żądana długość fali musi być uzyskiwana w bardzo krótkim czasie i z dużą dokładnością. Do głównych metod przestrajania laserów zaliczamy: - mechaniczną kontrola właściwości wnęki rezonansowej, - zmianę temperatury, - zmianę prądu zasilania Wzmacniacze optyczne W systemach telekomunikacji światłowodowej dalekiego zasięgu stosuje się dwa typy wzmacniaczy optycznych tj. wzmacniacze, których konstrukcja jest oparta na światłowodach domieszkowanych pierwiastkami ziem rzadkich i wzmacniacze Ramana. Te ostatnie zdobywają coraz większą popularność i prawdopodobnie będą dominować w przyszłych realizacjach transmisji optycznej. W przypadku sieci miejskich i niektórych rozwiązań sieci dostępowych głównie stosuje się trzeci rodzaj wzmacniaczy optycznych czyli wzmacniacze półprzewodnikowe (ang. SOA Semiconductor Optical Amplifier). 5

7 pompowanie pompowanie Do najpopularniejszych wzmacniaczy zaliczamy wzmacniacze światłowodowe domieszkowane pierwiastkami ziem rzadkich Klasycznym przykładem tego typu wzmacniacza jest wzmacniacz EDFA (ang. Erbium Doped Fiber Amplifier). Ta konstrukcja jest przeznaczone do pracy w trzecim oknie optycznym czyli w rejonie długości fali 1550 nm. Głównym elementem tych wzmacniaczy jest odcinek światłowodu krzemionkowego domieszkowanego erbem (rys. 2.4). Rys Budowa wzmacniacza typu EDFA Proces wzmacniania sygnału we wzmacniaczu EDFA jest uzyskiwany w skutek zachodzenia zjawiska emisji wymuszonej. Emisja wymuszona ma miejsce w ośrodku domieszkowanym erbem (Er +3 ), w którym występuje tak zwana inwersja obsadzeń czyli mówiąc inaczej w ośrodku w którym liczba atomów w wyższym stanie energetycznym jest większa od liczby atomów w niższym stanie energetycznym. W naszym przypadku inwersja obsadzeń uzyskiwana jest dzięki odpowiedniemu wzbudzeniu ośrodka aktywnego, które realizowane jest przez pompowanie optyczne (rys. 2.5). poziom metastabilny l p =980 nm l p =1480 nm emisja l=1550 nm poziom podstawowy Rys Przejścia energetyczne w erbie 6

8 Dostępne na rynku wzmacniacze światłowodowe typu EDFA zapewniają wzmocnienie rzędu db przy mocy pompowania rzędu kilkunastu mw. Na rys. 2.6 przedstawiono charakterystykę widmową wzmocnienia wzmacniacza typu EDFA dla różnych wartości mocy pompy optycznej. 50 Wzmocnienie [db] Pp = 19 [dbm] Pp = 17 [dbm] 45 Pp = 16 [dbm] Pp = 15 [dbm] 40 Pp = 14 [dbm] Pp = 13 [dbm] 35 Pp = 12 [dbm] Pp = 11 [dbm] 30 Pwej = - 42 [dbm] Długość fali [nm] Rys Charakterystyka widmowa wzmocnienia EDFA dla różnych mocy pompujących Pp Do pompowania optycznego wykorzystuje się lasery generujące fale o długości 980 nm lub 1480 nm. Światło z pompy (którym jest lasera półprzewodnikowego) jest wprowadzane do światłowodu przez sprzęgacz. W zależności od kierunku wprowadzania światła z pompy, w odniesieniu do kierunku propagacji fal wzmacnianych, wzmacniacze EDFA mogą pracować w układzie współbieżnym, przeciwbieżnym oraz w układzie z dwoma pompami. Przeprowadzone badania wskazują, że lepsze parametry wzmacniacza uzyskuje się w przypadku układu przeciwbieżnego. Wzmacniacze optyczne mogą pracować w trybie pracy wzmacniacza końcowego (ang. power amplifier lub booster amplifier), przelotowego (ang. in-line amplifier) i jako przedwzmacniacz (ang. pre-amplifier). Na rys. 2.7 pokazano zakresy pracy poszczególnych trybów pracy wzmacniacza. 7

9 Rys Tryby pracy wzmacniaczy optycznych; A zakres pracy przedwzmacniacza, B zakres pracy wzmacniacza przelotowego, C zakres pracy wzmacniacza końcowego Wzmacniacz końcowy jest umieszczany za nadajnikiem i jego zadaniem jest nadanie odpowiedniego poziomu mocy optycznej sygnału wprowadzanego do traktu światłowodowego. Wzmacniacz przelotowy ma za zadanie kompensację strat mocy optycznej wywołanej tłumieniem określonego odcinka światłowodu. W zależności od parametrów wzmacniacza optycznego wzmacniacze przelotowe umieszcza się w odległościach rzędu km. Z kolei przedwzmacniacz umieszcza się na wejściu odbiornika Konwertery długości fali Pod względem funkcjonalnym konwerter długości fali służy do przeprowadzania konwersji danych transmitowanych na określonej długości fali na inną długość fali (rys. 2.8). Operacja ta nie może wpływać na jakość przesyłanego sygnału. Rys Schemat funkcjonalny konwertera długości fali 8

10 Konwerter długości fali powinien spełniać następujące wymagania: - konwersja musi być przezroczysta dla przesyłanego formatu danych oraz ich przepływności (wymagana jest praca przy przepływnościach przekraczających 10 Gbit/s), - konwersja powinna zachodzić w kierunku fal krótszych i dłuższych względem długości fali sygnału poddawanego konwersji w możliwie jak najszerszym zakresie, - sygnał wyjściowy powinien charakteryzować się: małym chirpem, dużym współczynnikiem ekstynkcji oraz dużą wartością stosunku sygnału do szumu, - brak wpływu na działanie urządzenia stanu polaryzacji sygnału wejściowego, - możliwość pracy w trybie bez konwersji długości fali, - możliwość pracy przy niewielkich poziomach mocy optycznej. Konwertery długości fali możemy podzielić na urządzenia: optoelektroniczne i czysto optyczną. W przypadku konwerterów czysto optycznej główną linią podziału jest rodzaj wykorzystywanego zjawiska fizycznego. Możemy spotkać się z konwerterami wykorzystującymi takie zjawiska fizyczne jak: nasycenie wzmocnienia lasera, mieszanie falowe, skrośną modulację fazy czy też skrośną modulację wzmocnienia. Konwertery optoelektroniczne W konwerterach optoelektronicznych obróbka sygnału opiera się na konwersji optycznego sygnału wejściowy na sygnał elektryczny i dalej otrzymanego sygnału elektrycznego na odpowiedni sygnał optyczny. Przejście z sygnału optycznego na elektryczny jest realizowane za pomocą fotodiody (zwykle typu pin). Otrzymany w ten sposób sygnał elektryczny dalej służy do modulacji sygnału optycznego generowanego przez lasera; zwykle jest to laser przestrajalny. Tego typu konstrukcja jest wykorzystywana do konwersji sygnałów o przypływnościach do 10 Gbit/s. W tym przypadku trudno mówić o przezroczystości procesu konwersji. Poza tym w wyniku zamiany sygnału optycznego na elektryczny następuje utrata informacji na temat fazy sygnału. W konwerterach optoelektronicznych można łatwo połączyć funkcję konwersji długości fali z regeneracją sygnału przeprowadzaną na sygnale elektrycznym. Konwertery czysto optyczne Konwertery wykorzystujące zjawisko mieszania falowego Wykorzystywane jest tu zjawisko nieliniowe, w którym to w wyniku oddziaływania ze sobą fal o różnej długości następuje tworzenie sygnałów optycznych na innych długościach fali (rys. 2.9). 9

11 Rys Wykorzystanie zjawiska mieszania falowego; n=3 w przypadku mieszania czterofalowego i n=2 w przypadku tworzenia częstotliwości różnicowej Warto nadmienić, że mieszanie falowe zachowuje informację o fazie i zmianach amplitudy sygnału poddawanego konwersji. Tego typu konwertery oferują więc przezroczystość konwersji długości fali. Te konwertery pozwalają na równoczesną konwersję wielu kanałów optycznych pracujących na różnych długościach fali. Pozwalają one na konwersję sygnału o przepływnościach przekraczających nawet 100 Gbit/s. Zwykle tego typu konwertery dzieli się na te które wykorzystują zjawisko mieszania czterofalowego i te które wykorzystują zjawisko tworzenia częstotliwości różnicowej (ang. DFG Difference Frequency Generation). Warto nadmienić, że jako nieliniowy ośrodek wykorzystuje się włókna światłowodowe jak i wzmacniacze półprzewodnikowe. Wykorzystanie wzmacniaczy daje nawet lepszą jakość konwersji pod względem przezroczystości procesu konwersji. Wadą tego rozwiązania jest zależność wyjściowej długości fali od długości fali sygnału pompującego i sygnału poddawanego konwersji. Dlatego też jest niezbędna możliwość przestrajania długości fali sygnału pompy. Efektywność konwersji jest tu bardzo niska (typowo bliska 20 db). Z tego powodu uzyskiwany jest niski poziom wartości stosunku sygnału do szumu. W celu jego polepszenia są wymagane znaczne poziomy mocy sygnału pompującego. Do generacji częstotliwości różnicowej wykorzystuje się struktury periodyczne wykonane na LiNbO 3 lub AlGaAs. W takiej konstrukcji efektywność konwersji jest na poziomie ok. 17 db. Do podstawowych zalet tego rozwiązania należy zaliczyć brak czułości na stan polaryzacji sygnału optycznego poddawanego konwersji. Do podstawowych wad zaliczamy problemem związany z dopasowaniem fazowym oddziaływujących ze sobą sygnałów optycznych Regeneratory 3R Nazwa regeneratory 3R wynika z funkcji jakie te urządzenia pełnią. Regeneratory tego typu muszą zapewnić: wzmocnienie sygnału użytkowego (ang. reamplification), odtworzenie kształtu sygnału użytkowego (ang. reshaping) oraz odtwarzanie sygnału zegarowego (ang. retiming). Tradycyjny regenerator jest urządzeniem optoelektronicznym (rys. 2.10). 10

12 Rys Konstrukcja regeneratora optoelektronicznego Regenerator optoelektroniczny składa się z dwóch niezależnych bloków. Pierwszy blok jest odbiornikiem w którym następuje zamiana sygnału optycznego na elektryczny. W drugim bloku - bloku nadajnika sygnał ten moduluje laser. Zaletą tego rozwiązanie jest to, że możemy zastosować w miarę tanie i sprawdzone rozwiązania techniczne. Wadą jest brak przezroczystości; pojawia się konieczność przejścia z sygnału optyczny na elektryczny, co stanowi spore ograniczenie uwidaczniające się przy sygnałach o dużych przepływnościach. Coraz częściej są stosowane regeneratory czysto optyczne. Schemat blokowy takiego regeneratora pokazano na rys Rys Regenerator czysto optyczny Różnica między rozwiązaniem optoelektronicznym a czysto optycznym polega na tym, że w tym ostatnim operacja odtwarzania kształtu sygnału użytkowego (reshaping) i sygnału zegarowego (retiming) odbywa się na drodze optycznej. Jak widać na rys.2.11 optyczny sygnał wejściowy jest rozdzielany i wprowadzany na wejście wzmacniacza optycznego (ramię górne) i elementu odtwarzającego sygnał zegara (ramię dolne). Po odtworzeniu sygnału zegarowego na wejście nieliniowej bramki doprowadzany jest ciąg impulsów optycznych o przepływności sygnału zegarowego. Nieliniowa bramka pełni tu rolę elementu realizującego funkcję odtwarzania kształtu impulsów światła. Element ten jest sterowany przez sygnał danych pochodzący z górnego ramienia. Na wyjściu bramki jest otrzymywany 11

13 sygnał o zwiększonej wartości stosunku sygnału do szumu i zdecydowanie polepszonej charakterystyce jittera w porównaniu z sygnałem wejściowym. Na rys pokazano funkcję przenoszenia elementu pełniącego rolę nieliniowej bramki. Rys Charakterystyka przenoszenia elementu nieliniowego Na charakterystyce z rys można wyróżnić trzy zakresy. Dwa skrajne zakresy, które odpowiadają wysokiemu i niskiemu poziomowi logicznemu sygnału są tak dobrane by były możliwie jak najbardziej płaskie. Płaskość tych dwóch zakresów zapewnia bardzo silne wytłumienie szumów występujących w sygnale wejściowym. Nachylenie zakresu środkowego ma bezpośredni wpływ na wartość współczynnika ekstynkcji sygnału wyjściowego Krotnice falowe Krotnice falowe są urządzeniami, które mają za zadanie połączyć wiele sygnałów optycznych o różnej długości fali, pochodzących z różnych torów wejściowych w jeden, zbiorczy sygnał optyczny przenoszony pojedynczym światłowodem (multiplekser), bądź rozdzielać sygnał optyczny będący zbiorem sygnałów o różnych długościach fali między wiele torów wyjściowych, w taki sposób by w każdym z tych torów znalazł się tylko jeden sygnał o ściśle określonej długości fali (demultiplekser). Na rys pokazano schemat działania krotnicy falowej. 12

14 Rys Schemat działania krotnicy falowej Krotnice falowe wykorzystują do rozdzielenia (demultipleksacji) czy też do złożenia (multipleksacji) kanałów systemu WDM takie elementy optyczne jak: filtry optyczne (interferencyjne), siatki dyfrakcyjne czy też szyk siatek falowodowych. Na ogół urządzenia te mogą pełnić rolę multipleksera jak i demultipleksera, najczęściej przez odwrócenie biegu sygnału optycznego. Filtry optyczne (interferencyjne) są zbudowane z cienkich przezroczystych płytek z naniesionymi warstwami dielektrycznymi. Warstwy dielektryczne o dużym i małym współczynniku załamania są nałożone na siebie na przemian. Każda warstwa ma grubość odpowiadającą jednej czwartej lub połowie długości fali światła. Odpowiednie dobranie grubości tych warstw powoduje, że płytka odbija światło o jednej długości fali przy równoczesnej transmisji światła o innej długości fali. Na rys przedstawiono układ złożony z dwóch płytek z naniesionymi warstwami dielektrycznymi o różnych grubościach; co pozwala na rozdział lub złożenie sygnałów optycznych o długości fali l 1, l 2, l 3. F 1 F 2 l l l 3 l l l Rys Filtrowanie optyczne sygnałów o różnych długościach fali; F 1 - filtr odbijający tylko falę o długości l 1, F 2 - filtr odbijający tylko falę o długości l 2 13

15 W praktyce najpopularniejszym elementem stosowanym do multipleksacji i demultipleksacji kanałów w systemach ze zwielokrotnieniem falowym jest siatka dyfrakcyjna. Na rys przedstawiono budowę klasycznej krotnicy falowej z tak zwaną siatką dyfrakcyjną Littrowa. Rys Krotnica falowa z siatką dyfrakcyjną Littrowa Płaszczyzny czołowe światłowodu wejściowego i światłowodów wyjściowych są ustawione w płaszczyźnie ogniskowej układu soczewek. Światło emitowane ze światłowodu wejściowego zostaje skupione przez soczewki i pada na powierzchnię siatki dyfrakcyjnej. Na siatce dyfrakcyjnej światło ulega odbiciu pod kątem zależnym od długości fali. Następnie promienie światła o różnych długościach fali przechodzą przez soczewkę i zostają skupione na płaszczyznach czołowych światłowodów wyjściowych. Każdy z promieni światła o innej długości fali pada na płaszczyznę czołową innego światłowodu. Dodatkowo, w celu zmniejszenia strat powierzchnię siatki zwykle pokrywa się warstwą materiału o dużym współczynniku odbicia. Przedstawiony element może pracować jako demultiplekser i jako multiplekser; w tym drugim przypadku kierunek rozchodzenia się światła jest odwrotny. Kolejną kategorią krotnic falowych są urządzenia wykonane w technice optyki zintegrowanej (technice planarnej). Do tej grupy możemy zaliczyć między innymi: sprzęgacze selektywne falowe, krotnice z eliptycznymi reflektorami Bragga, krotnice z interferometrami Macha- Zehndera, krotnice z siatkami dyfrakcyjnymi Bragga czy też technikę szyku siatek falowodowych. Na rys pokazano krotnicę wykonaną w technice szyku siatek falowodowych. 14

16 Rys Konstrukcja krotnicy falowej wykorzystująca szyk siatek falowodowych Tego typu konstrukcja składa się dwóch sprzęgaczy, zwanych również obszarami wolnej propagacji (FPR) oraz łączącego je szyku falowodów z równą różnicą długości między sąsiednimi falowodami. Światło propagując się w wejściowym falowodzie podlega dyfrakcji w pierwszym obszarze wolnej propagacji i jest sprzęgane do układu falowodów. Szyk falowodów jest tak zaprojektowany, że różnica długości dróg optycznych między sąsiednimi falowodami jest całkowitą wielokrotnością środkowej długości fali demultipleksera. Dla środkowej długości fali sygnały w poszczególnych falowodach dochodzą do wejścia sprzęgacza wyjściowego w tej samej fazie; i w ten sposób rozkład pola sygnału z wyjścia sprzęgacza wejściowego jest odtwarzany na wejściu sprzęgacza wyjściowego. Dla środkowej długości fali sygnał jest ogniskowany na środku płaszczyzny obrazowej sprzęgacza wyjściowego. Dla długości fali innych od środkowej następuje zmiana faza. Z powodu stałej różnicy długości między sąsiednimi falowodami ta różnica fazy zwiększa się liniowo począwszy od wewnętrznych w kierunku zewnętrznych falowodów. Powoduje to nachylenie frontu falowego sygnału na wyjściu. W konsekwencji położenie ogniskowej dla danej długości fali jest przesunięte od położenia centralnego. Właściwe umieszczenie falowodów wyjściowych w płaszczyźnie obrazowej pozwala na przestrzenne odseparowanie poszczególnych długości fali Optyczne krotnice transferowe Optyczne krotnice transferowe (ang. OADM Optical Add Drop Multiplexer) służą do odebrania, wydzielenia (ang. drop) w danym węźle sieci sygnału o danej długości fali przy jednoczesnym zastąpieniu go innym sygnałem (ang. add), który będzie dalej transmitowany w sieci. Dodawany sygnał może mieć tę samą długość fali co sygnał wydzielany; może również mieć inną długość fali. Na rys pokazano w sposób schematyczny działanie krotnicy 15

17 transferowej. Rys Schemat działania optycznej krotnicy transferowej Możemy się spotkać z rozwiązaniami opartymi na wykorzystaniu: szyku siatek falowodowych, cyrkulatorów z siatkami Bragga oraz interferometrów Mach-Zehndera. W przypadku pierwszego rozwiązania zasada pracy tego elementu jest oparta na tych samych zasadach jak działanie krotnicy falowej zbudowanej na bazie tego typu elementów. Z kolei konstrukcję krotnicy transferowej wykorzystującej siatkę Bragga pokazano na rys Rys Krotnica transferowa wykorzystująca cyrkulatory i siatkę Bragga W tej konstrukcji wielofalowy sygnał WDM jest przez cyrkulator przekierowywany na siatkę Bragga. Siatka jest zoptymalizowana pod kątem odbijania ściśle określonej długości fali. Sygnał o tej długości fali jest po odbiciu kierowany na cyrkulator a dalej do portu drop (jest to operacja wydzielenia kanału). Pozostały sygnał WDM przechodzi przez siatkę i dociera do drugiego cyrkulatora gdzie jest kierowany do wyjścia krotnicy. Operacja dodawania kanału (o tej samej długości fali co kanał wydzielony) przebiega w ten sposób, że sygnał z portu add jest kierowany przez cyrkulator na siatkę Bragga od której się odbija i jest kierowany na wyjście krotnicy. 16

18 2.7. Przełącznice optyczne Przełącznice optyczne (ang. OXC Optical Cross Connector) są elementami pozwalającymi na realizację na poziomie optycznym procesu rekonfiguracji sieci. Przełącznice optyczne można podzielić na wykonane w technologia planarna i na wykorzystujące technikę prowadzenia strumienia światła w wolnej przestrzeni. Biorąc pod uwagę mechanizm wykorzystywany w procesie przełączania, to możemy podzielić przełącznice na te które wykorzystują następujące zjawisko: mechanooptyczne, elektrooptyczne i termooptyczne. Do najpopularniejszych konstrukcji przełącznic optycznych można zaliczyć konstrukcje wykorzystujące: termooptyczno-pęcherzykowe elementy przełączające, ciekłe kryształy oraz systemy typu MEMS. Na rys przedstawiono pojedynczy przełącznik pęcherzykowy. Rys Zasada działania pojedynczego przełącznika pęcherzykowego Zasada pracy tego typu elementu opiera się na zjawisku termooptycznym i polega na zmianie temperatury obszaru wypełnionego substancją, której właściwości optyczne (wartość współczynnika załamania) zależą silnie od temperatury. W przypadku braku ogrzewania światło przechodzi przez element przełączający, tak jak to pokazano na rys. 2.19a. Z kolei w momencie podgrzania następuje zmiana współczynnika załamania wybranego obszaru i następuje odbicie podającego promienia światła. Tego typu konstrukcja umożliwia realizację przełączników optycznych o wymiarach 32x32. Do przełączania sygnału optycznego można także wykorzystać dwójłomność ciekłego kryształu. Za pomocą ciekłego kryształu możemy zmieniać stan polaryzacji przełączanego sygnału, który dalej przechodzi przez materiał dwójłomny (np. kalcyt). W wyniku zmiany polaryzacji sygnału optycznego zmieniane jest położenie promienia nadzwyczajnego na 17

19 wyjściu elementu dwójłomnego. Tego typu konstrukcja umożliwia tworzenie przełącznic optycznych o wymiarach 64x64. Straty mocy optycznej są na poziomie 9-10 db. Jednak najbardziej dojrzałą pod względem technicznym konstrukcję stanowią przełącznice mikro elektromechaniczne zwane przełącznicami typu MEMS (ang. MicroElectoMechanical Systems). Systemy MEMS są zintegrowanymi urządzeniami o wielkości od kilku do kilkuset mikrometrów, mogącymi przetwarzać różne wielkości mechaniczne na wielkości elektryczne i odwrotnie. Struktury MEMS są zwykle wytwarzane w technologii krzemowej. Możemy spotkać się z konstrukcjami działającymi w dwóch wymiarach (są to tzw. przełącznice 2D) jak i w trzech wymiarach (przełącznice 3D). Na rys pokazano przełącznicę 2D. Rys Konstrukcja przełącznicy MEMS 2D W przypadku konstrukcji 2D połączenie sygnału z danego portu wejściowego i do określonego portu wyjściowego jest wykonywane przez podniesienie odpowiedniego mikrolustra Światłowody telekomunikacyjne Ze względu na wielokrotne powoływanie się w tekście na różne rodzaje światłowodów poniżej przedstawiono podstawowe informacje, które pozwolą na zrozumienie różnić jakie między nimi występują.w telekomunikacji stosowanych jest wiele typów włókien światłowodowych; głownie stosowane są światłowody krzemionkowe (kwarcowe) jednomodowe i wielomodowe gradientowe oraz plastikowe wielomodowe gradientowe. 18

20 Zastosowanie włókien wielomodowych sprowadza się tylko do bardzo krótkich połaczeń przede wszystkim w sieciach dostępowych i domowych. Powszechnie stosowane są za to światłowody jednomodowe. Telekomunikacyjne światłowody jednomodowe opisane są bardzo dokładnie w zaleceniach ITU-T. Różnią się one przede wszystkim właściwościami dyspersyjnymi; z wyjątkiem włókien G. 654 gdzie podstawowym parametrem na który się zwraca jest tłumienność. Mamy następujące rodzaje włókien: 1. Światłowody standardowe opisane w zaleceniu G. 652 pt.: Characteristics of a singlemode optical fibre and cable. Są to najstarsze włókna jednomodowe. Wartość zera dyspersji przypada na długość fali w przedziale od 1300 nm do 1324 nm, nachylenie charakterystyki dyspersji wynosi 0,092 ps/nm 2 km. W rejonie trzeciego okna optycznego wartość dyspersji chromatycznej typowo mieści się w zakresie od 16 do 20 ps/nm km (rys. 2.21). 2. Światłowody z przesuniętą charakterystyką dyspersji opisane w zaleceniu G. 653 pt. Characteristics of a dispersion-shifted single-mode optical fibre and cable. We włóknach tego rodzaju zerowa wartość dyspersji została przesunięta w rejon trzeciego okna optycznego. Zero dyspersji przypada na długość fali z przedziały od 1500 nm do 1600 nm, a nachylenie charakterystyki dyspersji wynosi 0,085 ps/nm 2 km (rys. 2.21). Dzięki przesunięciu charakterystyki dyspersji uzyskano możliwość połączenia niskiego tłumienia sygnału, stosowania wzmacniaczy domieszkowanych erbem z minimalnym wpływem dyspersji chromatycznej. Ma to szczególnie duże znaczenie dla systemów dalekiego zasięgu o dużych przepływnościach. Wraz z wprowadzeniem gęstych systemów WDM w rejon trzeciego okna optycznego włókna te uwidoczniły swój podstawowy mankament tj. dużą podatność na występowanie zjawiska mieszania czterofalowego. W chwili obecnej są one wypierane przez włókna G Światłowody z przesuniętą długością fali odcięcia opisane w zaleceniu G. 654 pt.: Characteristics of a cut-off shifted single-mode optical fibre and cable. Włókna te są przeznaczone do pracy w obszarze od 1530 nm do 1625 nm. Zero dyspersji przypada na długość fali wynoszącą ok nm. Długość fali odcięcia jest przesunięta w rejon 1550 nm (jej maksymalna wartość wynosi 1530 nm). Wartość dyspersji chromatycznej dla 1550 nm jest równa 20 ps/nm km a nachylenie charakterystyki dyspersji 0,070 ps/nm 2 km. Włókna tego rodzaju znalazły zastosowanie w systemach transmisji dalekiego zasięgu; głownie podmorskich. Wynika to z faktu, że dokładnie określono zakres tłumienności w obszarze długości fali od 1530 nm do 1625 nm; wartość tłumienności nie może tu przekroczyć 0,22 db/km. 4. Światłowody z przesuniętą niezerową charakterystyką dyspersji opisane w zaleceniu G. 655 pt.: Characteristics of a non-zero dispersion-shifted single-mode optical fibre and cable. Głównym powodem wprowadzenie tych włókien była konieczność zmniejszenia wpływu na jakość pracy systemów WDM efektu mieszania czterofalowego. Uzyskano to przez przesunięcie zera dyspersji chromatycznej poza trzecie okno optyczne. Są dwa rodzaje tego typu włókna tj. włókna dla których zero dyspersji przypada na długość fali, która jest 19

21 mniejsza od 1550 nm i dla których zero dyspersji przypada na długość fali, która jest większa od 1550 nm (rys. 2.21). Typowa wartość dyspersji chromatycznej dla długości fali 1550 nm wynosi 4,5 ps/nm km. 5. Światłowody z przesuniętą niezerową charakterystyką dyspersji o bardzo małym nachyleniu opisane w zaleceniu G. 656 pt.: Characteristics of a fibre and cable with nonzero dispersion for wideband optical transport. Włókna te stanowią odmianę włókien G Charakteryzują się niezerową, dodatnią wartością dyspersji chromatycznej w zakresie długości fali od 1460 nm do 1625 nm. Dla 1460 nm wartość dyspersji chromatycznej wynosi 2 ps/nm km, a dla 1625 nm jest równa 14 ps/nm km. Rys Charakterystyka dyspersji chromatycznej włókien G. 652, G. 653 i G

22 Rozdział III: Technika WDM w systemach telekomunikacyjnych Dzięki swej prostocie i niezawodności systemy transmisji optycznej ze zwielokrotnieniem falowym znalazły duże uznanie wśród operatorów telekomunikacyjnych. Realizacje systemów transmisji WDM można klasyfikować na kilka sposobów; jednym z nich jest podział na systemy selektywne i szerokopasmowe. W przypadku systemów selektywnych danemu nadajnikowi przyporządkowany jest ściśle określony odbiornik (rys. 3.1). Rys Selektywny system WDM; OMUX multiplekser, ODMUX demultiplekser, N1,N2, Nn nadajniki, O1, O2, On - odbiorniki W przypadku systemów szerokopasmowych sygnał ze wszystkich nadajników dochodzi do każdego toru odbiorczego; a wybór konkretnej długości fali jest przeprowadzany za pomocą filtru optycznego (rys. 3.2). Rys Szerokopasmowy system WDM; Ssp sprzęgacz szerokopasmowy, F filtr optyczny Jeśli chodzi o sposób przesyłania sygnału optycznego w pojedynczym włóknie światłowodowym, to systemy transmisji WDM są najczęściej realizowane jako systemy jednokierunkowe. Pojawiają się również propozycje realizacji w jednym włóknie transmisji odbywającej się w dwóch kierunkach. Proponowane są rozwiązania w których transmisja odbywa się na tych samych długościach fali (jest to wtedy połączenie dupleksowe), jak i na różnych długościach fali (połączenie dipleksowa). Zaletą takich rozwiązań jest zwiększenie przepustowości już istniejącej infrastruktury. Wadą jest to, że kiedy pojawia się konieczność wzmocnienia sygnału musimy stosować osobny stopień wzmacniający dla każdego kierunku transmisji. 21

23 Na rys. 3.3 pokazano przykład transmisji dwukierunkowej z wykorzystaniem podziału na podpasma. W tym rozwiązaniu wykorzystywane pasmo optyczne jest dzielone na dwa podpasma; na podpasmo czerwone i niebieskie czyli podpasma obejmujące swym zakresem dłuższe i krótsze względem siebie długości fali. Z tym, że jedno jest przeznaczone dla transmisji w jedną stronę, a drugie w drugą. Rys Transmisja dwukierunkowa z podziałem na podpasma Na rys. 3.4 przedstawiono transmisję dwukierunową z przeplotem kanałów optycznych. W tym przypadku, następuje podział wykorzystywanego pasma np. na kanały parzyste i nieparzyste. W ten sposób wydzielone grupy kanałów przenoszą ruch w różnych kierunkach. Rys Transmisja dwukierunkowa z przeplotem kanałów optycznych Można się także spotkać z transmisją dwukierunkową gdzie do trasmisji danych w obu kierunkach wykorzystuje się te same długości fali (rys. 3.5). 22

24 Rys Transmisja dwukierunkowa z wykorzystaniem tych samych długości fali Systemy typu WDM można spotkać we wszystkich obszarach aktywności telekomunikacyjnej; występują one w sieciach dostępowych, miejskich oraz w sieciach dalekiego zasięgu Technika WDM w sieciach dostępowych Zainteresowanie sieciami dostępowymi wykorzystującymi technikę WDM pojawiło się w połowie lat 90-tych. To zainteresowanie wynikało z kilku przyczyn. Po pierwsze, powszechnie stosowane sieci typu PON (ang. Passive Optical Network) mające architekturę typu punkt-wiele punktów wykorzystywane są przede wszystkim do transmisję typu rozsiewczego. Co oznacza, że cały ruch trafia do poszczególnych jednostek sieci optycznej ONU gdzie dopiero ma miejsce selekcja informacji. Dużym problemem staje się więc poufność przekazywanych danych. Pewnym rozwiązaniem tego problemu może być właśnie zastosowanie techniki WDM. Przez przypisanie do danego użytkownika (czyli danej jednostki ONU) określonej długości fali (lub pewnego ich zakresu) możemy stworzyć dla każdego z nich coś na kształt prostej, prywatnej sieci wirtualnej (ang. VPN - Virtual Private Network). Po drugie, stosowanie techniki WDM (szczególnie w odmianie CWDM) pozwala na osiągnięcie znacznej izolacji między poszczególnymi kanałami optycznymi. Trzecim powodem zainteresowania transmisją wielofalową jest potrzeba rozwiązania problemu związanego ze świadczeniem przez operatora usług wymagającymi dużych przepustowości np. można tu wymienić transmisję sygnału telewizyjnego (dla którego w zależności od stosowanego formatu wymagana jest przepływności od ok. 50 do 1400 Mbit/s). Zalety techniki WDM uwidoczniły się chociażby przy zastępowaniu systemów typu APON (ang. ATM Passive Optical Network), które były przeznaczone do transmisji sygnału mowy i danych, systemami typu BPON (ang. Broadband Passive Optical Network) w którym dodatkowo, na osobnej długości fali wprowadzono transmisję sygnału telewizyjnego. Zastosowanie techniki WDM w bardzo prosty sposób rozwiązuje problem równoczesnej transmisji głosu, danych i sygnału telewizyjnego. Jednakże tempo wdrożeń rozwiązań optycznych w sieciach dostępowych nie jest najwyższe. Przyczyn tego stanu jest wiele, a do 23

25 najpoważniejszych można wymienić: niedojrzałość technologiczną niektórych urządzeń optycznych, w dalszym ciągu nieco wyższa cena instalacji w porównaniu z instalacjami miedzianymi czy też problemy z zapewnieniem niezawodnych mechanizmów związanych z zarządzaniem. Ważną sprawą jest także kwestia zapewnienia zasilania urządzeń u abonenta. W przypadku sieci PON nie jest to tak proste jak dla sieci miedzianej. Dla sieci optycznych jest to robione za pomocą osobnej sieci lub przez umieszczenie źródła zasilania u abonenta. W klasycznym rozwiązaniu sieci PON mamy do czynienia z rozdzielaniem sygnału transmitowanego na jednej długości fali do wielu użytkowników za pomocą rozdzielacza optycznego. Podstawowym ograniczeniem takiego rozwiązania jest problem związany ze stratami mocy optycznej powstałych w wyniku rozdzielenia sygnału. Powoduje to ograniczenia związane z odległością między jednostką zakończenia łącza optycznego OLT a jednostką ONU oraz z samą liczbą jednostek ONU, czyli inaczej mówiąc stopniem podziału sygnału optycznego. Obecnie oferowane są rozwiązania pozwalające na realizację sieci składających się z 32 jednostek ONU przy odległości miedzy OLT i ONU 20 km czy też z 64 jednostek ONU przy długości sieci wynoszącej 10 km. Na rys. 3.6 pokazano klasyczną w swej budowie architekturę systemu WDM-PON. Rys Architektura WDM-PON W rozwiązaniu z rys. 3.6 do każdej jednostki ONU zostają przydzielone dwie długości fali. Jedna dla kierunku transmisji od OLT do danego ONU (kierunek ten określa się jako downstream). Druga dla kierunku transmisji od danego ONU do OLT (kierunek ten określa się jako upstream). W kierunku downstream kanały optyczne są kierowane od OLT do odpowiednich ONU za pomocą rutera optycznego pełniącego funkcję krotnicy falowej. Z kolei w kierunku przeciwnym odbierany po stronie OLT sygnał jest poddawany demultipleksacji w odbiorniku WDM. Każdy ONU jest wyposażony w nadajnik i odbiornik o parametrach dobranych pod kątem nadawania i odbierania ściśle określonej długości fali. W systemach WDM-PON można zastosować technikę rzadkiego (CWDM) jak i gęstego zwielokrotnienia (DWDM). Zastosowanie techniki CWDM powoduje, że odległości między 24

26 kanałami są większe w związku z czym można zastosować tańsze krotnice falowe oraz źródła światła. Nie ma w tym przypadku potrzeby stosowania tak bardzo dokładnej kontroli emitowanej długości fali jak to ma miejsce w systemach z gęstym zwielokrotnieniem co znacznie obniża koszty całego systemu. Wadą takiego rozwiązania jest pojemność systemu. Korzystając z odległości między kanałami na poziomie np. 20 nm możemy umieścić w paśmie od 1271 nm do 1611 nm jedynie 18 kanałów. Oczywiście taka sytuacja ma miejsce w przypadku najnowszych typów włókien bez, charakterystycznego dla światłowodów krzemionkowych, silnego wzrostu tłumienia w okolicach długości fali 1380 nm. W przypadku tradycyjnych włókien w rejonie o zwiększonym tłumieniu sygnału nie należy umieszczać kanałów optycznych. Technika DWDM pozwala na uzyskanie bardzo dużych pojemności systemu. Korzystając jedynie z pasma C (1530 nm 1565 nm) i mając odległość między kanałami na poziomie 50 GHz (0,4 nm) możemy otrzymać ponad 80 kanałów. Wadą jednak techniki gęstego zwielokrotnienia jest wyższy, niż to ma miejsce w przypadku CWDM, koszt elementów. Wynika to z faktu, że w tego typie zwielokrotnieniu stawia się bardzo wysokie wymagania co do stabilności właściwości filtracyjnych krotnic falowych oraz stabilności generowanej przez lasery długości fali. Patrząc już szczegółowiej na koszty kluczowych elementów techniki WDM tj. źródeł światła i krotnic falowych to okazuje się, że koszt lasera przeznaczonego dla systemu DWDM jest ok. 5 krotnie większy niż koszt lasera przeznaczonego dla systemu CWDM. Z kolei, krotnice falowe dla DWDM są 2 krotnie droższe niż te, które stosuje się dla CWDM. Na rys. 3.7 pokazano porównanie wydatków jakie należy ponieść przy budowie systemu WDM-PON przy stosowaniu techniki CWDM i DWDM. Rys Koszty sieci PON realizowanej w technice CWDM i DWDM 25

27 Do najpopularniejszych rozwiązań systemów WDM-PON należy zaliczyć następujące architektury: CPON, LARNET, RITENET, Multi-Stage, Super-PON i Success-DWA. Architektura CPON (ang. Composite PON) Jest to jedna ze starszych architektur systemu WDM-PON (rys. 3.8). Rys Architektura typu CPON Sygnał pochodzący z OLT (transmitowany w kierunku downstream) jest typowym sygnałem WDM z rejonu trzeciego okna optycznego, który w ruterze ulega rozdziałowi i skierowaniu do poszczególnych jednostek ONU. W kierunku przeciwnym (tj. w kierunku upstream) z poszczególnych jednostek ONU sygnał jest nadawany na tej samej długości fali z zakresu drugiego okna optycznego. W tym kierunku transmisji wykorzystywana jest technika zwielokrotnienia w dziedzinie czasu. W pierwszych realizacjach architektury CPON transmisję sygnałów w kierunku downstream i upstream przeprowadzano na dwóch osobnych włóknach. Obecnie korzysta się z zintegrowanego urządzenia który pełni rolę demultipleksera dla transmisji downstream i sprzęgacza mocy dla kierunku upstream. Zaletą tego rozwiązania jest to, że transmisja w kierunku upstream jest przeprowadzana na tej samej długości fali. Po stronie OLT do odbioru sygnałów od poszczególnych ONU stosuje się odbiornik typu burst-mode pracujące na jednej długości fali. 26

28 Architektura LARNET (ang. Local Access Router Network) Na rys. 3.9 pokazano przykład architektury LARNET. Rys Architektura typu LARNET W tym rozwiązaniu po stronie jednostki ONU znajduje się źródło szerokopasmowego może to być np. dioda elektroluminescencyjna. Każda z jednostek ONU nadaje sygnał w pełnym zakresie widma diody. W ruterze następuje wycinanie widma tak, że każdej jednostce ONU odpowiada inny zakres widma optycznego. W tej architekturze możemy również posłużyć się techniką podobną do tej jaka jest stosowana w architekturze CPON. Kanał w kierunku upstream jest wówczas dzielony pomiędzy jednostki ONU stosując technikę zwielokrotnienia w dziedzinie czasu. Z kolei sygnał w kierunku downstream jest typowym sygnałem WDM nadawanym w drugim lub trzecim oknie optyczny. W odbiorniku po stronie OLT sygnał jest poddawany demultipleksacji. Rozwiązanie to jednak wymaga zastosowania szerokopasmowego odbiornika typu burst-mode. Architektura RITENET (ang. Remote Interrogation of Terminal Network) Rysunek 3.10 przedstawia architekturę typu RITENET. Rys Architektura typu RITENET 27

29 W tym rozwiązaniu nie ma nadajników w jednostkach ONU. W OLT znajduje się laser przestrajalny emitujący dla każdej jednostki ONU inną długość fali. Sygnał optyczny w kierunku downstream jest emitowany w postaci paczek o różnych długościach fali. Paczka składa się z danych przeznaczonych dla konkretnej jednostki ONU i sygnału ciągłego. W każdej jednostce ONU odbierany sygnał jest rozdzielany i część jego trafia do odbiornika, a część do modulatora. W modulatorze ma miejsce modulacja sygnału ciągłego; dalej ten sygnał jest wysyłany w kierunku OLT. W tej architekturze stosuje się trzy rodzaje zwielokrotnienia: przestrzenne (osobne włókna są dla kierunku transmisji downstream i upstream), długości fali i czasu. Podstawową wadą tego rozwiązania jest to, że sygnał, który ma być nadany przez jednostkę ONU, musi być wcześnie wysłany w kierunku downstream. Co powoduje znaczne obniżenie poziomu mocy optycznej sygnału docierającego do OLT. Multi-stage (ang. Multistage AWG-based WDM-PON) Podstawową wadą przedstawionych rozwiązań CPON, LARNET i RITENET jest ich słaba skalowalność; występują duże problemy przy rozbudowie sieci o dodatkowe jednostki ONU. Próbą przezwyciężenia tych ograniczeń jest architektura typu Muli-stage. Jej pomysł jest oparty na wielokrotnym użyciu tych samych długości fali, tzn. dana długość fali obsługuje więcej niż jedną jednostkę ONU. Na rys pokazano przykład takiej architektury. Rys Architektura typu Multi-stage Pokazany na rys przykład ilustruje w jaki sposób można rozbudować system składający się z 8 jednostek ONU na system posiadający ich 32. Rozbudowa wymagała kaskadowego dołożenie dodatkowych elementu demultipleksujących sygnał wielofalowy. Rozbudowa polegała na dołożeniu dodatkowego rutera wykorzystujące elementy typu AWG i dalej kolejnych czterech w celu rozdzielenia sygnału składającego się z 4 długości fali do poszczególnych jednostek ONU. 28

30 Super-PON Jak już wspomniano, w klasycznych systemach PON mamy silne ograniczenie ich zasięgu i liczby jednostek ONU wynikające z bilansu mocy. Próbą obejścia tego problemu jest architektura typu super-pon. Cechą charakterystyczną tego rozwiązania jest przede wszystkim jego duży zasięg dochodzący do 100 km i duża wartość współczynnika podziału sygnału optycznego dochodzącego nawet do Kluczowym elementem sieci jest wzmacniacz optyczny (w związku z czym sieć przestaje być formalnie siecią pasywną). W sieciach super-pon uwidacznia się tendencja do łączenia sieci transportowej z siecią dostępową. Przykład omawianej architektury pokazano na rys Rys Architektura typu Super-PON W tym rozwiązaniu można wyodrębnić następujące sekcje: sekcję dystrybucyjną obejmującą elementy rozdzielające sygnał optyczny i światłowody dochodzące do jednostek ONU, sekcję wzmacniająco-rozdzielającą gdzie ma miejsce wzmocnienie i pierwszy podział sygnału i sekcję doprowadzającą sygnał optyczny z OLT do sekcji wzmacniająco-rozdzielająca. W super-pon wykorzystuje się dwa zakresy długości fali; jeden dla kierunku transmisji downstream i drugi dla kierunku transmisji upstream. Dla kierunku downstream zarezerwowane są zwykle długości fali z przedziału od 1525 nm do 1543 nm; ten przedział długości fali jest określany jako niebieska połowa (ang. blue half) wykorzystywanego widma optycznego. Dla kierunku upstream przeznaczone są długości fali z zakresu od 1547 nm do 1565 nm; ten przedział jest nazywany czerwoną połową (ang. red half) wykorzystywanego widma optycznego. Poszczególne zakresy długości fali są rozdzielane za pomocą filtru optycznego RBF (ang. Red or Blue Filter). Sygnał przeznaczony do transmisji w kierunku upstream generowany jest w bloku wzmacniającym i jest to sygnał ciągły. Sygnał wygenerowany przez znajdujący się tam laser jest wzmacniany i po rozdzieleniu trafia do 29

31 właściwych jednostek ONU. Tam podlega on ponownemu wzmocnieniu i modulacji; zwykle jest to robione za pomocą elementu pełniącego rolę modulatora elektroabsorpcyjnego i półprzewodnikowego wzmacniacza optycznego (ang. EAM-SOA - ElectroAbsorption Modulator Semiconductor Optical Amplifier). Sygnały optyczne transmitowane w kierunku upstream są również wzmacniane w drodze do OLT; wzmocnienie następuje w bloku wzmacniającym i w bloku OLT przed procesem demultipleksacji. Z kolei sygnał w kierunku transmisji downstream jest poddawany wzmocnieniu tylko w bloku wzmacniającym. Wadą tej architektury jest jej złożoność i duża liczba elementów wymagających monitorowania i dość złożonego zarządzania Technika WDM w sieciach miejskich Optyczną sieć miejską (zwaną również siecią metropolitalną) można potraktować jako strukturę łączącą sieci dalekiego zasięgu z sieciami dostępowymi lub łączącą ze sobą różne sieci dostępowe. Tradycyjnie traktuje się sieć miejską jako pewną odmianę sieci dalekiego zasięgu tyle tylko, że w mniejszej skali. Jest to prawdą w tym sensie, że sieci miejskie muszą sprostać wymaganiom stawianym sieciom dalekiego zasięgu jeśli chodzi np. o duże przepływności. Z drugiej jednak strony można zaobserwować wiele różnic. Jedną z nich jest to, że architektura sieci miejskiej wciąż ulega zmianom powodowanym przede wszystkim przez wymagania pojawiające ze strony rozwiązań występujących w sieciach dostępowych. W przeciwieństwie do architektury sieci miejskiej architektura sieci dalekiego zasięgu jest zdecydowanie stabilniejsza. Cechą charakterystyczną dla sieci miejskich jest to, że muszą mieć możliwość obsługi zróżnicowanego ruchu telekomunikacyjnego. Ze względu na konieczność sprostania wymaganiom dużych przepustowości obecnie powszechnie w sieciach miejskich wykorzystuje się technikę WDM. Technika WDM w sieciach miejskich jest atrakcyjna przede wszystkim ze względu na jej przezroczystość, czyli możliwość bezkolizyjnego przenoszenia danych o różnym pochodzeniu, np. ATM, SDH, Ethernet, Fiber Channel. Ważną zaletą techniki WDM jest jej skalowalność powalająca na szybką i prostą rozbudowę istniejącej sieci miejskich [6.8]. Do podstawowych konfiguracji połączeniowych wykorzystywanych w sieciach miejskich zaliczamy topologie typu: punkt-punkt, pierścieniową i kratową. Topologia typu punkt-punkt Na rys pokazano przykład topologii typu punkt-punkt. W przypadku tej topologii możemy spotkać się z rozwiązaniami z i bez krotnicy transferowej. W przypadku tego typu sieci miejskich odległość między nadajnikiem a odbiornikiem nie przekracza zwykle około 10 km. W tym rozwiązaniu nie stosuje się wzmacniaczy. Konfiguracja punkt-punkt tradycyjnie przeznaczona jest do przenoszenia ruchu o dużych przepływnościach w kanałach (> 10 30

32 Gbit/s). W przypadku tej konfiguracji stosowane są mechanizmy zabezpieczenia (protekcje) typu 1+1, 1:1 i 1:N. Rys Topologia typu punkt-punkt, a) bez krotnicy transferowej, b) z krotnicą transferową W zabezpieczeniu typu 1+1 ta sama informacja jest przenoszona dwoma ścieżkami (światłowodami). W odbiorniku wybierany jest sygnał o lepszej jakości. Kiedy jedna ścieżka ulegnie uszkodzeniu odbiornik przełącza się na odbiór z drugiej ścieżki. W zabezpieczeniu typu 1:1 w drugim, protekcyjnym światłowodzie przenoszony jest sygnał o mniejszym priorytecie. W zabezpieczeniu typu 1:N jedno włókno zabezpieczeniowe jest współdzielone przez N włókien roboczych. Topologia pierścieniowa Topologia pierścieniowa jest najczęściej spotykana w rozwiązaniach sieci miejskich. Możemy spotkać się z pierścieniami o długości dochodzącej do kilkudziesięciu kilometrów. Na rys pokazano przykład topologii pierścieniowej. W sieci tego typu można równocześnie pracować kilka systemów WDM. Kluczowymi elementami tej struktury są optyczne krotnice transferowe. Duża ich liczba w pierścieniu może powodować dość znaczne straty mocy co często pociąga za sobą konieczność wykorzystania wzmacniaczy optycznych. Rodzaje rozwiązań zabezpieczeń pracy pierścieni WDM są podobne do tych jakie się sprawdziły w odniesieniu do systemów SDH. W zależności od mechanizmu zabezpieczenia możemy spotkać się z implementacją na poziomie optycznym pierścienia jednokierunkowego z przełączaną ścieżką (ang. UPSR Unidirectional Path Switched Ring), pierścienia dwukierunkowego z przełączaną ścieżką (ang. BPSR Bidirectional Path Switched Ring) czy też pierścienia dwukierunkowego z przełączaną linią (ang. BLSR - Bidirectional Line Switched Ring). 31

33 Rys Topologia pierścieniowa Na rys pokazano schemat budowy pierścienia jednokierunkowego z przełączalną ścieżką. Rys Pierścień jednokierunkowy z przełączalną ścieżką W tej strukturze węzły są łączone za pomocą światłowodów tworzących dwa niezależne pierścienie tj. pierścień roboczy i zabezpieczający. Ruch w pierścieniu roboczym odbywa się w kierunku zgodnym z ruchem wskazówek zegara, z kolei w pierścieniu zabezpieczającym w 32

34 kierunku przeciwnym. Wielokrotnie w celu podwyższenia niezawodności pracy systemu dokonuje się zdublowania procesu przesyłania danych. Realizowane jest to przez kierowanie tego samego ruchu tak do pierścienia roboczego jak i do pierścienia zabezpieczającego. W przypadku uszkodzenia np. przecięcia światłowodu następuje przejście na pierścień zabezpieczający (rys. 3.15). Przedstawiony system zabezpieczenia należy do klasy zabezpieczeń typu 1+1. Pierścień taki nazywa się również optycznym pierścieniem z dedykowaną rezerwą dla kanału optycznego (ang. OChDPR Optical Channel Dedicated Protection Ring). Podstawową wadą tego rozwiązania jest to, że ten typ protekcji uniemożliwia wykorzystanie tych samych długości fali dla różnych połączeń zlokalizowanych w różnych częściach pierścienia. Na rys pokazano pierścień dwukierunkowy z przełączaną ścieżką. Rys Pierścień dwukierunkowy z przełączaną ścieżką Pierścień tego typu można rozpatrywać jako zbiór wirtualnych pierścieni składający się z pojedynczego kanału roboczego i skojarzonego z nim, pojedynczego kanału protekcyjnego. Zabezpieczenie tego typu należy do kategorii mechanizmów zabezpieczeniowych 1:N, co oznacza, że łącza przeznaczone do celów protekcyjnym są współdzielone przez wszystkie łącza robocze w ramach danego pierścienia, a nie są przypisane im na stałe jak to miejsce w przypadku mechanizmu 1:1. W przypadku awarii wykorzystuje się mechanizm przełączania całego pierścienia (ang. ring switching). W takiej sytuacji następuje przełączenie protekcyjne pierścienia, które powoduje zestawienie połączenia protekcyjnego dla danego kanału poprzez węzły nie objęte uszkodzeniem. Ten typ pierścienia nazywany jest również optycznym 33

35 pierścieniem dwukierunkowym z dzieloną rezerwą (ang. OCHSPR - Optical Channel Shared Protection Ring). Na rys przedstawiono budowę dwuwłóknowego pierścienia dwukierunkowego z przełączaną linią. Rys Dwuwłóknowy pierścień dwukierunkowy z przełączalną linią W tego typu rozwiązaniu w danym włóknie światłowodowym przeprowadza się podział długości fali na dwie grupy: roboczą i zabezpieczającą. W przypadku uszkodzenia węzła lub światłowodu wykorzystuje się mechanizm zabezpieczający polegający na utworzeniu pętli zwrotnej (ang. loop-back). W wyniku czego następuje przekierowanie wszystkich zagrożonych kanałów optycznych do włókien zabezpieczających i ich transmisja odbywa się w kierunku przeciwnym do pierwotnej. Możemy spotkać się również z czterowłóknowym pierścieniem dwukierunkowy z przełączalną linią. Czterowłóknowy pierścień dwukierunkowy można potraktować jako złożenie dwóch dwuwłóknowych pierścieni dwukierunkowych. Jeden z nich pełni rolę pierścienia roboczego a drugi zabezpieczającego. W tego typu konstrukcji mamy dwa typy zabezpieczeń. Pierwsze z nich to przełączanie przęsła (ang. span switching) i jest on wykonywany w sytuacji uszkodzenia jednego lub obu torów przęsła pierścienia roboczego. Drugie zabezpieczenie opiera się na wykorzystaniu pętli zwrotnej i jest ono realizowane w przypadku uszkodzenia włókien pierścienia roboczego i zabezpieczającego na odcinku tego samego przęsła. W sytuacji korzystania z protekcji wykorzystującej mechanizm przełączania przęsła następuje przekierowanie wszystkich kanałów optycznych (długości fali) z włókna 34

36 uszkodzonego do włókna zabezpieczającego łączącego te same węzły sieci co włókno uszkodzone. W przypadku stosowania protekcji opartej na pętli zwrotnej następuje wyraźny wzrost długości drogi toru transmisyjnego (w najgorszym przypadku nawet dwukrotne). Może to mieć znaczący wpływ na jakość pracy systemów opartych na dużych strukturach pierścieniowych. Topologia kratowa Konfiguracja tego typu składa się z połączonych ze sobą węzłów optycznych tworzących strukturę połączeniową przypominającą kratę (ang. mesh). Kluczowym elementem tej struktury jest przełącznica optyczna. W tym przypadku mechanizm zabezpieczeń nie jest już oparty na rezerwowych elementach fizycznych (np. światłowodach), ale na rezerwach tworzonych przez długości fali. Oznacza to, że w celu ominięcia uszkodzenia sieci następuje zmiana (konwersja) długości fali, na której przesyłane są dane. Czyni to sieć odporniejszą na ewentualne uszkodzenia, ale z drugiej strony zdecydowanie trudniejszą do zarządzania. W chwili obecnej raczej nierealne wydaje się pełne wprowadzenie opartych na technice WDM czysto optycznych sieci miejskich. Należy raczej spodziewać się stopniowego zajmowania przez technikę WDM poszczególnych fragmentów sieci. Zauważalne jest jednak stopniowe przechodzenie z aktualnie pracujących sieci SDH na rozwiązania charakterystyczne dla sieci czysto optycznych. Na rys pokazano przykład sieci o coraz bardziej popularnej konfiguracji połączeniowej określanej mianem pierścieniowo-kratowej. Rys Konfiguracja pierścieniowo-kratowa 35

37 Z kolei na rys pokazano konfigurację pierścieniowo-kratową wykorzystującą wirtualne połączenie między wybranymi węzłami sieci. Rys Konfiguracja pierścieniowo-kratowa z wirtualnym połączeniem między wybranymi węzłami Na chwilę obecną wydaje się, że sieci miejskie będą miejscem gdzie będzie można spotkać wszystkie trzy opisane topologii (punkt-punkt, pierścieniową, kratową); oczywiście o tym która z nich jest w danym miejscu stosowana zależy od konkretnych warunków i potrzeb. Technika WDM jest również z powodzeniem stosowana przy obsłudze tzw. sieci pamięci masowych (ang. SAN Storage Area Network). Sieć pamięci masowej to wydzielona sieć przeznaczona, jak sama nazwa wskazuje, do obsługi banków pamięci w celu zapewnienia sprawnego przesyłania danych między nimi oraz szybkiego dostępu do nich. W tego typu sieciach wykorzystuje się takie protokoły jak Fibre Channel (najpopularniejszy), ESCON czy też Gigabit Ethernet. Podstawowym problemem tego typu sieci jest zasięg i tak w przypadku protokołu Fibre Channel maksymalny zasięg transmisji wynosi ok. 10 km (wynika to z zastosowanego mechanizmu kontroli przepływu danych). Sposobem na zwiększenie zasięgu i uelastycznienie tego typu sieci jest min. zastosowanie techniki WDM (rys. 3.20). 36

38 Rys Zastosowanie techniki WDM w sieciach SAN W przedstawionym na rys rozwiązaniu za pomocą sieci o konfiguracji pierścieniowej wykorzystującej technikę WDM łączy się wydzielone sieci typu SAN oddalone od siebie na kilkadziesiąt a nawet kilkuset km. Rozwiązanie to zdecydowanie zwiększa zasięg pracy systemów typu SAN. Należy jednak pamiętać, że samo zastosowanie techniki WDM nie gwarantuje transmisji na duży odległości z odpowiednim poziomem jakości. W celu zapewnienia prawidłowej pracy np. protokołu Fibre Channel na tak duże odległości wymagane jest zastosowanie pewnych mechanizmów związanych ze sposobem buforowania danych. Jednym z takich rozwiązań jest technika buffer credit spoofing Technika WDM w sieciach dalekiego zasięgu Postęp techniczny i technologiczny widoczny w przeciągu ostatnich kilkunastu zaowocował z jednej strony możliwością transmisji danych na duże odległości z dużymi przepływnościami (przekraczającymi 10 Gbit/s), a z drugiej praktycznym zastosowaniem techniki WDM zwiększającej przepustowość istniejących systemów. Wdrożenie techniki WDM spowodowało obniżenie kosztów działających systemów i uczyniło z sieci dalekiego zasięgu narzędzie mogące spełnić wzrastające zapotrzebowanie na coraz większe przepustowości. Od momentu wprowadzenia do komercyjnych zastosowań techniki WDM miał miejsce stały wzrost oferowanej przepustowości poprzez zwiększanie liczby kanałów optycznych; z kilku kanałów niosący ruch z przepływnością 2,5 Gbit/s do obecnych systemów z kilkuset kanałami o przepływnościach 10 Gbit/s każdy. Dotychczas wykorzystywane systemy bazujące na przepływnościach w kanale 2,5 Gbit/s pozwalały na uzyskiwanie odległości między stopniami regeneracyjnymi rzędu km. Zwiększenie jednak przepływności powoduje zmniejszenie tej odległości (wpływ dyspersji chromatycznej i polaryzacyjnej); co pociąga za sobą wzrost kosztów infrastruktury. 37

39 W latach 90-tych mogliśmy zaobserwować olbrzymią zmianę zachodzącą w sposobie przenoszenia ruchu telekomunikacyjnego w sieciach dalekiego zasięgu. Początkowo były powszechnie stosowane systemy o topologii punkt-punkt, pod koniec lat 90-tych mogliśmy zaobserwować upowszechnienie się topologii pierścieniowej z pełnym wykorzystaniem oferowanych przez nią mechanizmów zabezpieczeniowych. Nastąpiła również zmiana w rodzaju przesyłanego ruchu; nastąpiła zmiana z obsługi wyłącznie usługi głosowej na rzecz, odgrywającego coraz ważniejszą rolę, transferu danych. Sieci dalekiego zasięgu dzielą się na: konwencjonalne (ang. CLH - Conventional Long Haul) o długości od ok.100 km (zasięg dużych sieci miejskich) do ok. 600 km między regeneratorami, o rozszerzonym zasięgu (ang. ELH - Extended Long Haul) o długości od ok. 600 km do ok km i o ultra dużym zasięgu (ang. ULH - Ultra Long Haul) o długości powyżej 2000 km. Jak wskazują badania rynkowe największa koncentracja ruchu tranzytowego przypada na połączenia typu ELH (ok. 51 %) i CLH (ok. 45 %) pozostały ruch odbywa się w połączeniach przekraczających 2000 km czyli sieciach typu ULH. Systemy typu CLH są wykorzystywane przede wszystkim wszędzie tam gdzie mamy do czynienia z dość niewielką odległością między dużymi ośrodkami miejskimi. Sytuacja taka ma miejsce np. Europa czy też we wschodniej część Stanów Zjednoczonych; np. dla Europy typowa odległość między dużymi miastami wynosi od 70 km do 100 km. Jeśli chodzi o systemy typu ULH to w chwili obecnej podstawowym ich problemem są wysokie koszty budowy i utrzymania co w naturalny sposób ogranicza ich stosowanie. Biorąc pod uwagę technikę transmisji to w połączeniach dalekiego zasięgu dominuje technika DWDM, która gwarantuje dużą agregację ruchu. Poniżej przedstawiono krótką charakterystykę sieci podmorskich i lądowych dalekiego zasięgu. Sieci podmorskie Systemy podmorskie można podzielić na dwie grupy. Do pierwszych z nich należą systemy, które nie wykorzystują regeneratorów sygnału optycznego, pracujące na stosunkowo niewielkich odległościach. Drugą grupę tworzą systemy pracujące na dużych odległościach; w których na jakość transmisji ma bardzo silny wpływ tłumienie oraz dyspersji chromatycznej czy też polaryzacyjnej. W tego typu systemach stosuje się regeneratory. W przypadku systemów podmorskich poważnym problemem jest zasilanie regeneratorów, które najczęściej zatapia się w morzu wraz z kablem światłowodowym. Najczęściej zasilanie regeneratorów jest realizowane za pomocą przesyłu prądu stałego (o natężeniu ok. 1A) kablem miedzianym znajdującym się w pancerzu ochronnym podmorskiego kabla światłowodowego. W przypadku systemów podmorskich olbrzymie znaczenie ma duża niezawodność stosowanych elementów składowych, co wynika bezpośrednio z bardzo dużych kosztów ewentualnych napraw. Mają tu również miejsce zagrożenia niespotykane w 38

40 przypadku innych sieci; przykładowo można wymienić uszkodzenia powodowane przez kotwice statków lub sieci rybackie. W celu uniknięcia tego typu zagrożeń od lat 80-tych na obszarach gdzie takie zagrożenie mogą mieć miejsce kable światłowodowe zakopuje się pod dnem morskim na głębokości ok. 1 m. Koszty ewentualnego wydobycia zatopionych elementów systemu, czy też samego kabla i ich naprawy są bardzo duże. Jak jednak wskazują statystyki naprawy na otwartym morzu przeprowadza się rzadko (np. w północnej części Atlantyku typowo raz na trzy lata). Okazuje się, że tylko 20% uszkodzeń systemów ma miejsce na morzu reszta przypada na lądowe odcinki sieci. Systemu podmorskie okazały się na tyle niezawodne i niezbyt kosztowne, że w chwili obecnej pokrywają prawie cały glob. Wraz z popularyzacją techniki WDM zaczęto ją również stosować w sieciach podmorskich. W tab. 3.1 zawarto dane dotyczące przepustowości wybranych sieci podmorskich wykorzystujących technikę WDM. Tabela 3.1. Parametry wybranych sieci podmorskich wykorzystujących technikę WDM Nazwa Liczba par włókien w kablu Liczba kanałów Przepływność w Długość [km] WDM w kanale [Gbit/s] pojedynczym włóknie SEA-ME-WE , ) FLAG-Pacyfik ) APCN ) TAT ) Africa One 2 8 2, ) 1) łączy: Singapur, Malezję, Tajwan, Południową Koreę, Wietnam, Filipiny, Chiny i Japonię 2) łączy: Japonię, Stany Zjednoczone i Kanadę 3) łączy: Tajwan, Filipiny, Hong Kong, Malezję i Singapur 4) łączy: Stany Zjednoczone, Francję, Wielką Brytanię, Danię i Holandię 5) łączy kraje leżące wzdłuż wybrzeża Afryki Zastosowanie dla połączeń podmorskich techniki WDM zapewnia im zwiększenie przepustowości i elastyczność. Wprowadzenie dodatkowych długości fali powoduje, że uzyskujemy dodatkową płaszczyznę na której możemy modyfikować sposób pracy systemu. Pojawia się możliwość elastyczne przekierowywanie ruch i rekonfigurowania sieci bez konieczności zmiany fizycznego położenia światłowodów. Jak już wspomniano niewątpliwą zaletą techniki WDM jest proste zwiększenie przepustowości istniejących sieci. Można to pokazać na przykładzie sieci TAT-n. W roku 1988 uruchomiono sieć TAT-8 łączącą Stany Zjednoczone, Wielką Brytanię i Francję. Przenosiła ona ruch na dwóch parach światłowodów z wykorzystaniem systemu PDH (ang. Plesiochronous Digital Hierarchy). Całkowita 39

41 przepustowość wynosiła 560 Mbit/s. Obecnie w eksploatacji mamy sieć TAT-14 o parametrach podanych w tab. 6.5 i o całkowitej przepustowości 640 Gbit/s; pracującą z wykorzystaniem systemu SDH. W sieciach podmorskich w przypadku wystąpienia uszkodzenia przewiduje się dwa sposoby odtworzenia ruchu. Pierwszy polega na przełączeniu na zapasowe urządzenia sieciowe. Drugi opiera się na wykorzystaniu połączenia satelitarnego. Jednakże w przypadku przenoszenia przez światłowód podmorski dużych ilości danych to drugie rozwiązanie jest nieefektywne. Dlatego też okazało się niezbędne zastosowanie w sieciach podmorskich mechanizmów zabezpieczeniowych typowych dla struktur pierścieniowych. Na przykład sieci TAT-14 i TCP-5 są sieciami samonaprawiającymi o architekturze pierścieniowej (ang. self-healing ring network). Kluczowymi elementami optycznymi sieci podmorskich są: wzmacniacze optyczne, elementy kompensujące dyspersję chromatyczną i ewentualnie polaryzacyjną i optyczne elementy rozgałęziające. Wzmocnienie sygnału realizowane jest za pomocą wzmacniaczy optycznych typu EDFA zwykle z pompą optyczną pracującą na długości fali na 1480 nm. Na rys pokazano typowe, występujące w rzeczywistych systemach, odległości między stopniami wzmacniającymi przy różnej liczbie kanałów i różnym zasięgu. Rys Odległość między stopniami wzmacniającymi Ze względu na występowanie dość znacznych odległości między stopniami wzmacniającymi i dużą liczbę wykorzystywanych w sieci wzmacniaczy przelotowych należy zwrócić szczególną uwagę na nierównomierne wzmacniania poszczególnych kanałów WDM. W sieciach podmorskich ze względu na trudny dostęp do stopni wzmacniających spotykamy się z kilkoma ciekawymi rozwiązaniami problemu wzmacniania sygnału; jednym z nich jest wykorzystanie zdalnego pompowania odcinka światłowodu domieszkowanego erbem. 40

42 W sieciach podmorskich możemy spotkać się z konfiguracją połączeniową pierścieniową i trunk and branch. Na rys pokazano typowe architektury stosowane w sieciach podmorskich. Pierwsza z nich to klasyczna struktura pierścieniowa, w której można zastosować mechanizmy zabezpieczeniowe opisane przy sieciach miejskich (oczywiście z uwzględnieniem zdecydowanie większych odległości między węzłami). Rys Typowe architektury sieci podmorskich; a) pierścień, b) typu trunck and branch Na rys przedstawiono przykład realizacji struktury pierścieniowej na przykładzie sieci MAC. 41

43 Rys Sieć MAC Z kolei, przykładem struktury sieciowej typu trunk and branch może być sieć Pan American (rys. 3.24). Rys Sieć Pan-American [6.21] Struktura fizyczna tego rozwiązania jest taka, że poszczególne węzły sieci znajdujące się na lądzie są podłączone do głównego kabla podmorskiego (ang. trunk cable) przez kable rozgałęziające (ang. branch cable) dochodzące do jednostki rozgałęziającej (ang. branch unit). 42