Aspekty DWDM technologie Milan Šárek msarek@core.cz
Obsah h Rozdíl mezi optickým přenosem a optickými sítěmi h Aspekty Dense Wavelength Division Multiplexing h Technologie optického přepínání h Protokoly optického přepínání h Závěr
Technologie ie: : SONET/SDH důvody nasazení h Mezinárodní standardy pro veřejné přenosové systémy: h Výhody: SONET: Bellcore standard pro Severní Ameriku (a Japonsko) SDH: ITU standard pro zbytek světa dobře definované servisní rozhraní monitoring chyb a jejich rychlá lokalizace rychlá obnova služeb (<50ms) akceptace standardů většinou výrobců definovaný přechod od elektrického multiplexu k optickému přenosu
SONET/SDH Hierarchie SONET SDH rychlost OC-1-51.84 Mbps OC-3 STM-1 155.52Mbps OC-12 STM-4 622Mbps OC-48 STM-16 2.5Gbps OC-192 STM-64 10Gbps OC-768 STM-256 40Gbps
Jak vybudovat síť? h IP služby adresace směrování h ATM Traffic Engineering (přenést provoz tam, kde je volná kapacita) h SONET/SDH zajišťuje kontrolu funkčnosti obnovu služeb nízkou chybovost statistiky přenosů h WDM zvyšuje kapacitu média SONET SDH WDM IP Router ATM Switch SONET/SDH Mux WDM Line System
Protokoly vrstev MPLS se prosazuje jako alternativa ATM vrstvě Application IP PoA ATM SDH / SONET PoS MPLS GE PoS WDM PoA - Packet over ATM GE - Gigabit Ethernet Fibre PoW - Packet over WDM PoS - Packet over SDH
Protokoly vrstev Digital Wrapper jako "SDHlite" technologie pro přímý Packet-over-Wavelengths Application IP PoA ATM SDH / SONET PoS MPLS PoW GE Digital Wrapper WDM PoA - Packet over ATM GE - Gigabit Ethernet Fibre PoW - Packet over WDM PoS - Packet over SDH
Od optického přenosu k DWDM a optickým sítím h rozdíl mezi WDM a DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing) h parametry a místa aplikace DWDM h přechod k řešení optické sítě h popis prvků optické sítě
Počátek vývoje WDM h dvě vlnové délky, nejčastěji... 1310nm 1550nm h Coupler umožňuje kombinaci dvou přenosů v jednom vlákně h Splitter (další coupler) a filtry oddělují jednotlivé vlnové délky h (lze řešit duplexní přenosy po jednom vlákně)
Dense WDM Kolik kanálů? h mnohem více než 2 kanály! h výchozí ITU rozdělení definuje 32 kanálů s odstupem 100GHz h v současné době jsou ohlašovány proprietární systémy se 160 kanály (vhodná velká dávka skepse!)
Dense WDM: ITU rozdělení kanálů 0.6 1525 1530 Attenuation (db/km) 1535 1540 1545 1550 1555 1560 1565 0.5 0.4 0.3 0.2 ITU odstup kanálů po 100GHz 0.1 1200 1300 1400 1500 Wavelength (nm) 1600 1700
Oddělení kanálů DWDM h Pravidla oddělení kanálů DWDM typický odstup je dán pravidlem palce" přenosová rychlost v Gbps vynásobena 2.5 dává minimální nutný odstup kanálů v GHz (např. 100GHz pro 40Gbps) další pravidlem palce ": s každým zdvojnásobením přenosové rychlosti nebo nebo počtu kanálů je potřeba počítat se zvětšením optického útlumu o 3dB h Důležitá je schopnost optického vlákna přenášet požadované spektrum vlnových délek
Požadavky na odstup DWDM kanálů h musí zajistit odolnost proti interferenci (pravidlo palce): 40Gbps 100GHz 10Gbps 25GHz 2.5Gbps 6GHz h budicí lasery musí být testovány pro celý rozsah vlnových délek v používaném teplotním rozsahu a s rezervou pro budoucí stárnutí h celý rozsah vlnových délek všech kanálů musí být konsistentní a schopný zesílení pomocí EDFA akceptovatelný" rozsah EDFA je 1530 až 1565 nm (C-band), viz. dále
Využití DWDM h DWDM zvyšuje kapacitu spojení bod-bod propustnost násobena faktorem 4, 8, 16 etc. h 1. generace DWDM je zaměřena na spojení bod-bod na velké vzdálenosti h V metropolitních instalacích se vede diskuze o užití polygonální a kruhové topologie h Ekonomie DWDM v metropolitních projektech je zatím problematická zatím je většinou levnější použít více vláken h Vývoj je velmi rychlý a směřuje k rozvoji technologie optických sítí
Prvky optico ptických sítí Switch Fabric! Control Plane Software Laser Optical Fibre Receiver External Modulator Fibre Amplifier Wavelength Mux Wavelength Demux
Prvky optico ptických sítí Optická vlákna Polovodičové lasery Optické zesilovače Přijímače Optické přepínací technologie Nové protokoly pro optické sítě
Vývoj optických vláken h Vlastnosti vláken Útlum Disperze Nelinearita h Vývoj optických vláken Dispersion-Unshifted Fibre (USF) Dispersion-Shifted Fibre (DSF) Non-Zero Dispersion-Shifted Fibre (NZDF) Nové typy vláken
Vlastnosti optických vláken Útlum signálu 5 4 ~190THz útlum (db/km) 3 2 1 OH - OH - ~50THz 2 5 3 4 1 OH - 0 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 vlnová délka (nm) 1. okno 2. okno 3. okno 4. okno 5. okno
Vývoj vláken 3. generace: : NZDF 0.5 20 útlum (db/km) 0.4 0.3 1310nm 1550nm 10 0-10 Disperze (ps/nm-km) Disperze 0.2-20 USF 1300 1400 1500 1600 vlnová délka (nm) DSF NZDF útlum
Vlákna nové generace... h Odstranění nelinearity útlumu v 5. okně Příklad: Lucent "All Wave" Fibre h Minimalizace PMD (polarizační disperze) během výroby PMD je problémem rychlosti 2.5Gbps" Příklad: Corning LEAF PMD je silně ovlivněna namáháním vlákna během instalace h Redukce ztrát pro větší vlnové délky (>1600nm) Selektivní dopování prvky ze skupina VI) Zvyšuje se vliv poloměru ohýbání
Lasery a modulátory
Polovodičové lasery vývoj 850nm lasery pro vícevidová vlákna DFB lasery pracující na 1300 a 1550nm přímo modulované Fabry-Perot laser GaAs <= 1.7Gbps, 40km <= 4Gbps, 40km > 4Gbps, 40km omezuje modulační kolísání užší TX spektrum (~10MHz) práce na větších vl. délkách externí modulace DFB lasery InP
Laditelné lasery h Možnost měnit vlnovou délku laseru Sestava se zdroji pevné vlnové délky h Co se stane, když jeden z laserů selže? Kolik záložních laserů je třeba? Jaký je rozsah vlnových délek, se kterými máme pracovat? h Lépe je použít laditelný laser.
Laditelné lasery požadavky h Tři parametry požadované u laditelných laserů Ladicí rozsah (požadavek 35nm) Výstupní výkon (požadavek 10mW) Ladicí zpoždění (podle aplikace) Module 9831L Tuning Comb; Superimposed Spectra 0-5 -10-15 -20 Outp ut (d B rel.) -25-30 -35-40 -45-50 -55-60 1525 1 530 1 535 1540 1545 1 550 1555 1560 1 565 1570 157 5 Wavelength (nm)
Laditelné lasery stav r. 2000 počet ITU kanálů 6 12 18 24 30 36 42 48 Výstupní optický výkon (mw) 10 8 6 4 JDS-Uniphase Marconi požadovaný výkon požadované ladění 2 Alcatel Nortel NTT Altitun 5 10 15 20 25 30 35 40 Tuning Range (nm)
Optické zesilovače
Klasický optický zesilovač h Vysokorychlostní elektronické komponenty vysoká cena, nízká spolehlivost h Zesílení pro jednu vlnovou délku h Regenerátor pro jednu přenosovou rychlost Systém závislý na přenášené službě
Klasické zesilovače v DWDM systému h Potenciální problém nově vznikajícího systému! ~40km TX TX TX Amp Amp Amp RX RX RX RX RX RX Amp Amp Amp TX TX TX
EDFA princip funkce h Energie je "pumpována" do vlákna obohaceného prvkem Erbium (příslušné množství v jádru i obalu) pomocí laseru pracujícího na 980nm h Erbium pracuje jako zprostředkující medium, které transformuje vstupní energii na signál h Nezávisí na vlnové délce (v rámci EDFA okna) h Nezávisí na přenosové rychlosti
Řešení: širokopásmové, plně optické zesilovače
EDFA okno oblast stejného výkonu" 5 4 EDFA okno: 1530-1565nm útlum (db/km) 3 2 OH - OH - 1 OH - 0 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 vlnová délka (nm) 1. okno 2. okno 3. okno 4. okno 5. okno
Technologie optického přepínání
Technologie optico ptického přepínání (jen částečný výčet možností) h 2D a 3D MEMS (Macro-Mechanical Movement) původně technika digitálních projektorů h bublinkové technologie h holografické přepínače h interferometrické přepínače, např. AWG (Arrayed Waveguide Grating)
Prostorové přepínání 2D a 3D MEMS h Původní technologie pro digitální projektory relativně nízká cena 3D nabízí vyšší hustotu portů nízká hodnota přeslechů pomalé přepínání rychlý rozvoj technologie Source: Lucent
Prostorové přepínání 2D a 3D MEMS h MEMS princip Cesta pro zrcátko nahoře" vstup Cesta pro zrcátko dole" pohyblivé zrcátko
Prostorové přepínání bublinkové přepínače h Vychází z technologie bublinkových tiskáren využívají odrazu od povrchu bublinky dobrá hodnota přeslechu vysoká hustota portů zatím problémy s MTBF nízká rychlost přepínání Source: Agilent
Prostorové přepínání bublinkové přepínače h mřížka s možností tvorby bublinek h k přepínání dochází po vzniku bublinky... vstup průchod bez bublinky průchod s bublinkou
Prostorové přepínání Arrayed Waveguide Grating využití principu ohybu světla na optické mřížce B port se zabudovaným laditelným laserem C po naladěni na červenou" délku, optický paket vystoupí na port B A WGR D E
AWG přepínač h AWG je interferometrická technika h vlnovým délkám odpovídají jednotlivé porty h důležité výhody AWG přepínání zařízení bez pohyblivých členů extrémně vysoká přepínací rychlost závisí na rychlosti ladění laseru teoreticky rychlost přepínání až ns ideální pro paketové optické přepínání z hlediska servisu je AWG nenáročná a levná technologie
Protokoly optických sítí
Protokoly optických sítí nové aspekty h MPΛS (Multi-Protocol Lambda Switching) h rozšíření OSPF o specificky optické metriky a optické parametry h optická UNI specifikace h optické směrovací tabulky bez nebo s lambda transformací
Pojem Lambda Switching h Optické přepínače jsou "transparentní pro přenášené služby" bitové sekvence nejsou interpretovány protože to zatím v těchto rychlostech není možné h Přepínání je odvozeno pouze z hodnoty vlnové délky proto tento proces nazýváme "Lambda Switching"
Optické směrovací tabulky Případ 1a: bez vlnového překladu směrovací tabulka Λ2 Port 1 Port 3 In (port,lambda) (1, Λ2) Out (port, Lambda) (4, Λ2) (1, Λ3) (4, Λ3) Port 2 Port 4 Λ2 (1, Λ1) (2, Λ3) (4, Λ2) (3, Λ3) h Λ2 ( zelená" lambda) přichází na port 1 h směrovací tabulka ukazuje, že prostorovým přepínáním přejde na port 4 h naportu4jeλ2 opět použita jako výstupní
Optické směrovací tabulky Případ 1b: bez vlnového překladu Connection Table Λ3 Port 1 Port 3 In (port,lambda) (1, Λ2) Out (port, Lambda) (4, Λ2) (1, Λ3) (4, Λ3) Port 2 Port 4 Λ3 (2, Λ3) (2, Λ3) (4, Λ1) (3, Λ3) h Λ3 ( modrá" lambda) přichází na port 1 h směrovací tabulka ukazuje, že prostorovým přepínáním přejde na port 4 h naportu4jeλ3 opět použita jako výstupní
Optické směrovací tabulky Případ 2: vlnový překlad Connection Table Port 1 Port 3 In (port,lambda) (1, Λ2) Out (port, Lambda) (4, Λ2) (1, Λ3) (4, Λ3) Λ3 Port 2 Port 4 Λ1 (2, Λ3) (2, Λ3) (4, Λ1) (3, Λ3) h Λ3 ( modrá" lambda) přichází na port 2 h směrovací tabulka ukazuje, že prostorovým přepínáním přejde na port 4 h na portu 4 je Λ3 již použita, proto je lambda přeložena na Λ1 ( červenou" lambda)
Závěr h Vývoj zcela nových technologií s využitím mechanickooptických jevů h Nové aspekty řídicích protokolů h Transportní systémy x optické sítě