Sieci WDM. Wavelength Division Multiplexing Dense Wavelength Division Multiplexing

Transkrypt

1 Sieci WDM Uwaga: od 2004/05 Wprowadzenie do WDM włączono do wykładu Światłowody 2 (VI EOT) Wavelength Division Multiplexing Dense Wavelength Division Multiplexing

2 Prorektor ds. Nauczania Politechniki Wrocławskiej Dziekan Wydziału Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki Dziekan Wydziału Podstawowych Problemów Techniki Dziekan Wydziału Chemicznego Politechniki Wrocławskiej Centrum Materiałów Zaawansowanych i Nanotechnologii Politechniki Wrocławskiej Uprzejmie zaprasza na cykl wykładów pod tytułem: Advanced Materials for Modern Semiconductor Device Manufacturing - part I Wykłady wygłosi: Dr hab. Ehrenfried Zschech Manager Materials Analysis Department firmy AMD Saxony z Drezna Wykłady odbędą się w dniach: 21 listopada 2005 roku w godz w sali A-2 w budynku M1 przy ul. Długiej listopada 2005 roku w godz w sali A-2 w budynku M1 przy ul. Długiej 61 Sergiusz Patela Systemy WDM 2

3 Definicja techniki WDM WDM = Wavelength Division Multiplexing. Transmisja wielu fal o różnych długościach w jednym włóknie, w celu zwiększenia ilości przesyłanej informacji. Zwielokrotnione wiązki światła Światłowód Sergiusz Patela Systemy WDM 3

4 Współczesny światłowodowy system transmisyjny (klasyczny) Wzmacniacz optyczny Laser pp Modulator Sprzęgacz Kabel światłowodowy Detektor Zasilacz i sterownik lasera Detektor kontrolny Filtr wyrównawczy Linia opóźniająca Koder Multiplekser Dekoder Separator linii Sygnał synchronizacji Sygnał elektryczny Sygnał optyczny Sergiusz Patela Systemy WDM 4

5 Standardowy cyfrowy światłowodowy system transmisyjny - parametry Modulacja natężenia - detekcja bezpośrednia Źródła 1,31µm lub 1,55µm. FP-LD/DFB-LD, VCSEL Maksymalna szybkość 2,4GB/s (TDM) Odległość między regeneratorami 40km Wzmacniacze O/E (opto-elektroniczne) Dla dużych szybkości (10GB/s lub więcej) koszt urządzeń elektronicznych staje się bardzo wysoki. Sergiusz Patela Systemy WDM 5

6 Zwielokrotnianie czasowe - ograniczenia Typowa magistrala dzisiaj: zwielokrotnianie czasowe na jednej długości fali. W łączu docelowym częstotliwości węzłów (1Gb/s) sumują się 1Gb/s Mb/s1Mb/s1Mb/s 1Mb/s Zwiększanie szybkości w poszczególnych kanałach wymaga zastosowania łącza o bardzo wysokiej częstotliwości. Tłumienie [db/km] 0,2 db/km 25 THz 1,5 Długość fali [µm] 1Tb/s Gb/s1Gb/s1Gb/s 1Gb/s? Tłumienie [db/km] 0,2 db/km 25 THz 1,5 Długość fali [µm] Sergiusz Patela Systemy WDM 6

7 WDM - rozwiązanie problemów zwielokrotniania czasowego 1Tb/s Gb/s1Gb/s1Gb/s 1Gb/s? Tłumienie [db/km] 0,2 db/km 25 THz 1,5 Długość fali [µm] Sergiusz Patela Systemy WDM 7

8 Transmisja Światłowodowa - straty w światłowodzie i dostępne długości fal [db/km] TŁUMIENIE WŁÓKNA ZE SZKŁA KRZEMIONKOWEGO W FUNKCJI DLUGOŚCI FALI ŚWIATŁA 25 THz Tłumienność I okno II okno III okno Kanały WDM Długość fali [µm] Sergiusz Patela Systemy WDM 8

9 Współczesny system światłowodowy typu WDM Optyczne zwielokrotnianie kanałów zwiększa pojemność łącza. XMTR XMTR XMTR λ 2 λ n O M U X OA OA OA O D M U X λ 2 λ n Det Det Det System wielofalowy WDM: Zalety Przezroczysty dla różnych przepływności i rodzajów modulacji Jeden wzmacniacz na włóknie dla wielu kanałów Odległość między regeneratorami km Wady Akumulacja zniekształceń (dyspersja) i szumów Sergiusz Patela Systemy WDM 9

10 Światłowodowe systemy przyszłości (WDM) Zwielokrotnienie niezależnie modulowanych kanałów (2,4 do 10 Gb/s) Add/Drop multiplekser Drop λ 2 Add λ 2 λ 2 λ 3 λ 4 O M U X wzmacniacz EDFA Drop filtr Add λ 2, λ 3, λ 4, λ 5... λ n λ n Add/Drop multiplekser Transmisja wielu niezależnie modulowanych i odczytywanych kanałów Sergiusz Patela Systemy WDM 10

11 Proste łącze WDM Jeden kabel (dwa światłowody) pozwala połączyć cztery komputery. System WDM pozwolił dwukrotnie zwiększyć pojemność łącza. Sergiusz Patela Systemy WDM 11

12 Technologie sieciowe pozwalające zwiększyć pasmo i dostępność do różnorodnych usług ATM Uniwersalny protokół, umożliwiający transmisję różnorodnych danych przy transmisji z komutacją pakietów lub komutacją łączy WDM Technologia dysponująca pasmem 50 THz Sergiusz Patela Systemy WDM 13

13 Zalety technologii światłowodowej Prezentując zalety światłowodu, zwykle porównujemy go z innymi mediami transmisji Ogromne pasmo transmisji ~50 THZ Małe tłumienie < 0.2 db/km Małe zniekształcenia sygnału Niewielkie wymaganie odnośnie mocy (transmisji, zasilania) Małe zużycie materiału Niewielkie zapotrzebowanie na przestrzeń instalacyjną Niska cena (cena/pasmo, serwis, re-instalacja) Sergiusz Patela Systemy WDM 14

14 Technologie tworzenia sieci optycznych WDM (DWDM, CWDM) Zwielokrotnianie długości fali OTDM Zwielokrotnianie czasowe, z wykorzystaniem multiplekserów optycznych w zakresie częstotliwości > 100 GHz O-CDM (Kombinacja WDM i CDM, zwiększająca efektywność wykorzystania łącza) OTDM i OCDM zwykle wymagają sprzętu aktywnego (całkowicie optyczny lub elektroniczny) pracującego z szybkością większą niż standartowa elektronika sieciowa. WDM nie stawia takich wymagań. Sergiusz Patela Systemy WDM 15

15 Długości fal dla systemów DWDM Siatka ITU-T oparta na częstotliwości 193,10 THz (linia emisyjna kryptonu, w próżni odpowiada długości fali 1552,52nm). Obecne (komercyjne) systemy WDM i DWDM: odstępy międzykanałowe liczba kanałów 200GHz (1,6nm); 8 kanałów 100GHz (0,8nm); 16 kanałów 50GHz (0,4nm); 32 kanały Sergiusz Patela Systemy WDM 16

16 Wyciąg z projektu ETSI, propozycje długości fal dla WDM (ITU-grid) Częstotliwość (THz) Długość fali (nm) 193, ,72 193, ,32 193, ,92 193, ,52 192, ,13 192, ,75 192, ,36 192, ,98 Częstotliwości pracy 8 kanałowego systemu WDM, łączność punkt-punkt Sergiusz Patela Systemy WDM 17

17 Wpływ nieliniowości optycznych włókna na działanie sieci światłowodowych Nieliniowości optyczne włókna mogą być źródłem: zwiększonego tłumienia sygnału w kanale zniekształceń przesłuchów w kanałach WDM W sieciach WDM nieliniowości nakładają ograniczenia na: odległości międzykanałowe (λ) moc świata prowadzoną w kanale szybkość transmisji Sergiusz Patela Systemy WDM 34

18 Nieliniowe zjawiska optyczne we włóknach światłowodowych (1) Nieliniowe zmiany współczynnika załamania wywołujące modulację fazy: współczynnik załamania szkła światłowodu zależy od natężenia światła; Φ NL = n 2k0L E SPM: automodulacja fazy (self phase modulation) - wywołane przez zmiany mocy w impulsie. XPM - modulacja między kanałowa (cross-phase modulation) - modulacja fazy wywołana zmianą natężenia światła w sąsiednim kanale 2 Sergiusz Patela Systemy WDM 35

19 Nieliniowe zjawiska optyczne we włóknach światłowodowych (2) Wymuszone rozpraszanie Ramana (SRS): W wyniku oddziaływania światła z cząsteczką pojawia się fala rozproszona o częstotliwości zmienionej o częstotliwość jej drgań własnych; Wymuszone rozpraszanie Brillouina (SBS): Rozpraszanie na falach akustycznych; Mieszanie czterech fal (FWM): Kanały o częstotliwościach f1 i f2 mogą być źródłem sygnałów 2f 1 -f 2 i 2f 2 - f 1 ; sygnały te mogą interferować z falami w innych kanałach. Podsumowanie: Współczesna technologia umożliwia pracę WDM dla 100 kanałów odległych o 10 GHz, po 0,1 mw/kanał przy λ=1550 nm. Sergiusz Patela Systemy WDM 36

20 Wpływ rozpraszania Ramana na jakość transmisji w systemie DWDM Optical power spectrum Optical power spectrum Frequency [THz] Frequency [THz] OSNR [db] Fiber Length [km] ch. 1 ch. 16 BER channel 1 channel 16 1.E-00 1.E-06 1.E-12 1.E-18 1.E-24 1.E-30 1.E Fiber Length [km] ch. 16 ch. 1 Sergiusz Patela Systemy WDM 37

21 WDM w sieciach lokalnych Sieci lokalne tworzone na bazie technologii WDM noszą nazwę WDMA (Wavelength Division Multiple Access) Podobnie TDMA i CDMA Technologia WDM pozwala wykorzystać dostępne pasmo optyczne. Stworzenie sieci łączności wymaga opracowania architektury, protokołów i algorytmów. Technologia WDM w sieciach lokalnych nie wymaga stosowania sprzętu aktywnego. Sergiusz Patela Systemy WDM 46

22 Tworzenie sieci WDM 1. Tworzymy całkowicie optyczną, której użytkownicy będą się komunikować po całkowicie optycznych drogach świetlnych (light paths) kanały WDM. 2. Droga świetlna może obejmować wiele węzłów pośrednich, i powinna umożliwiać komutację łączy w sieci. 3. Każdy z węzłów pośrednich powinien zapewniać całkowicie-optyczny transfer danych, w celu otworzenia drogi świetlnej. Sergiusz Patela Systemy WDM 47

23 Sieć WDM Sieć tworzy kompletny graf N węzłów, Nx(N-1) łączy Ograniczenie fizyczna i przyrządowe: Liczba kanałów WDM jest skończona (W) W kanałów WDM Światłowód Sergiusz Patela Systemy WDM 48

24 Projekt sieci WDM - zadanie Dane: - liczba dróg świetlnych którą należy utworzyć w sieci - liczba dostępnych kanałów WDM Wyznaczyć drogi (routing) połączeń określić jak przydzielane będą długości fal poszczególnym drogom świetlnym, tak aby można było zestawić maksymalną ilość dróg świetlnych. Jeżeli droga świetlna nie może być zestawiona ze względu na ograniczenia routingu i dostępne długości fal mówimy że dana droga świetlna jest zablokowana. Odpowiednim zadaniem projektowym jest minimalizacja prawdopodobieństwa blokady Sergiusz Patela Systemy WDM 49

25 Warunek zachowania długości fali Zwykle cała droga świetlna jest realizowana za pomocą jednej długości fali (wavelength-continuity constraint, WCC). Dwie drogi świetlne, które wykorzystują wspólnie segment sieci światłowodowej, nie powinny mieć przydzielonej jednej długości fali. Sergiusz Patela Systemy WDM 50

26 Konwersja długości fali w sieci WDM Przełącznik lub router w węźle sieci WDM może być wyposażony w konwerter długości fali. W takim przypadku WCC nie występuje i Długość fali na drodze świetlnej może ulegać zmianom. Jeżeli w sieci wykorzystane są konwertery długości fali, pojawia się problem routingu i przydzielania długości fali (RWA Routing and Wavelength Assignment). Sergiusz Patela Systemy WDM 51

27 Węzły sieci WDM W węzłach sieci WDM mogą znaleźć się urządzenia przekierowujące o różnej funkcjinalności Gwiazda pasywna Router pasywny Przełącznik aktywny Przełącznik aktywny z konwersją długości fali Sergiusz Patela Systemy WDM 52

28 Gwiazda pasywna Urządzenie brodcastowe. Sygnał wprowadzone na jakiejś długości fali z jednego włókna wejściowego, zostanie równo rozdzielony (pod względem mocy optycznej) na wszystkie porty wyjściowe. Kolizja wystąpi, jeżeli dwa sygnały wejściowe na różnych włóknach będą miały tę samą długość fali. Zakładając, że mamy tyle długości fal ile jest portów wejściowych, gwiazda pasywna NxN może jednoczośnie zrealizować N połączeń. Sergiusz Patela Systemy WDM 53

29 Gwiazda pasywna (Passive star) 4 x 4 Input fiber 1 Input fiber 2 Output fiber 1,..., λ 4 Output fiber 2 λ 2 Input fiber 3 λ 3 Input fiber 4 λ 4 λ 4 λ 4 λ 4 λ 4,..., λ 4 Output fiber 3,..., λ 4 Output fiber 4,..., λ 4 N connections Sergiusz Patela Systemy WDM 54

30 Router pasywny Router pasywny może selektywnie przekierować wybrane długości fali na zadane porty wyjściowe Urządzenie pozwala na jednoczesne wykorzystanie jednej długości fali, zwiększając przepustowość routera Macierz routingu jest ustalona konstrukcyjnie, i nie może być zmieniana w czasie pracy urządzenia. Router tego typu, wykonany w technologii optyki zintegrowanej nosi nazwę Waveguide Grating Router (WGR) Urządzenie NxN pozwala zrealizować jednocześnie N 2 połączeń. Urządzenie nie może realizować funkcji broadcastowych. Sergiusz Patela Systemy WDM 55

31 Router pasywny (Passive router) Input 1 2 λ 3 λ 2 λ 4 λ 2 λ3 λ4 λ 2 Output λ 3 λ 4 λ2 3 4 λ 4 λ 3 λ 3 λ 2 4 λ 4 Demux Mux N 2 connections Sergiusz Patela Systemy WDM 56

32 Przełącznik aktywny Przełącznik może wykorzystywać wielokrotnie jedną długość fali; liczba realizowanych jednocześnie połączeń wynosi N 2 Macierz routingu może być zmieniana na bieżąco, w miarę potrzeb. Urządzenie wymaga zasilania i ma obniżoną niezawodność w porównaniu z gwiazdą pasywną i routerem pasywnym. Sergiusz Patela Systemy WDM 57

33 Przełącznik aktywny (Active switch) 4 x 4 Input fib. 1 Input fib. 2 Input fib. 3 Input fib. 4 λ 2 λ 3 λ 4 switch switch λ 2 switch λ 3 switch λ 4 Output fib. 1,..., λ 4 Output fib. 2,..., λ 4 Output fib. 3,..., λ 4 Output fib. 4,..., λ 4 Demux Mux WRS =Wavelength Routing Switch (or Wavelenght Selecting Crosconnect - WSXC) Sergiusz Patela Systemy WDM 58

34 Struktura sieci całkowicie optycznych Pasywne sieci broadcastowe, oparte na gwieździe pasywnej. Struktura planowana do wykorzystania w sieciach lokalnych Sieci rozległe z routingiem długości fali struktura optymalna dla sieci rozległych. Sergiusz Patela Systemy WDM 59

35 Unicast Multicast Lokalna sieć WDM oparta na strukturze gwiazdy pasywnej Workstation Passive star coupler Sergiusz Patela Systemy WDM 60

36 Rozległa sieć WDM z routingiem długości fali λ 2 B C A H Photonics switching fabric 3 4 λ λ1 E D G Access Station: contains tunable transmitters and receivers Switch: contains photonics switch, amplifier, λ converter F Sergiusz Patela Systemy WDM 61