Światełko w studzience

Nowe technologie światłowodowe: Coarse Wavelength Division Multiplexing (CWDM) oraz pasywne sieci optyczne (PON) stwarzają szanse na budowę wydajnych, a przy tym tanich sieci metropolitarnych i dostępowych.

Nowe technologie światłowodowe: Coarse Wavelength Division Multiplexing (CWDM) oraz pasywne sieci optyczne (PON) stwarzają szanse na budowę wydajnych, a przy tym tanich sieci metropolitarnych i dostępowych.

Operatorzy publicznych sieci metropolitarnych w dużych miastach przeżywają rozkwit popytu na swoje usługi. Do tradycyjnych klientów sieci publicznych - urzędów i instytucji - dołączyli powstający jak grzyby po deszczu osiedlowi dostawcy Internetu i telewizje kablowe. W wyniku powszechnego uruchamiania w sieciach metropolitarnych aplikacji szerokopasmowych infrastruktura, która jeszcze do niedawna wydawała się wielokrotnie nadmiarowa, gdzieniegdzie niedomaga.

Sytuacja ta zbiega się z faktem, że operatorzy sieci miejskich z roku na rok otrzymują coraz słabsze wsparcie z budżetu państwa i w dłuższej perspektywie powinni całkowicie się usamodzielnić (pisał o tym obszernie Andrzej Gontarz w CW 5/2004). Nie jest jednak tak, że miejscy operatorzy dysponują środkami na inwestycje w nowoczesne urządzenia transmisyjne, które mogłyby dać sieciom zapas pojemności na co najmniej kilka lat. Sprzęt DWDM wykorzystywany do budowy sieci transportowych jest bardzo drogi.

Gros kosztów budowy wielousługowych sieci transportowych (takich, w których można uruchamiać równolegle wiele różnych usług warstwy drugiej, np. SDH, ATM, Frame Relay, Ethernet, Fibre Channel itd.) pochłaniają urządzenia aktywne. Największy udział w początkowych kosztach inwestycji mają karty portów zawierające superprecyzyjne elementy laserowe. Budowa nawet niewielkiego, składającego się zaledwie z kilku węzłów szkieletu DWDM to wydatek rzędu kilku milionów dolarów. Koszt światłowodów jest tu w praktyce pomijalny - włókna dawno już zostały ułożone, a większość z nich nadal pozostaje niewykorzystana.

Postęp w technologii światłowodowej, który dokonał się w ostatnich latach, stwarza jednak szanse na rozwiązanie problemów operatorów miejskich w zupełnie nowy sposób. Szybko dojrzewające w ostatnich latach technologie Coarse Wavelength Division Multiplexing (CWDM) oraz technologie pasywnych sieci optycznych (PON - Passive Optical Networks) pozwalają budować sieci światłowodowe o zadowalającej pojemności i zasięgu przy wielokrotnie mniejszych nakładach niż dla DWDM.

CWDM kontra DWDM

Porównanie technologii DWDM i CWDM

Porównanie technologii DWDM i CWDM

Technologia optycznego zwielokrotnienia fal z gęstym podziałem częstotliwości jest kosztowna nie bez powodu. Zgodnie z nazwą DWDM "upakowanie" kanałów w dostępnym wycinku spektrum jest imponujące - odstępy między poszczególnymi kanałami wynoszą zaledwie 0,4-1,6 nm! To zaś oznacza, że w tzw. trzecim oknie optycznym (przedział długości fal 1530-1565 nm) można zmieścić nawet kilkaset kanałów o przepływności 2,5-40 Gb/s każdy!

Dodatkową zaletą wykorzystania trzeciego okna jest możliwość stosowania wydajnych optycznych wzmacniaczy EDFA (bez transformacji sygnału świetlnego do elektrycznego i odwrotnie), pozwalających budować łącza długodystansowe.

Podstawową barierą w upowszechnianiu systemów DWDM są wysokie koszty elementów aktywnych. Do budowy tych platform wykorzystywane są lasery o wysokiej stabilności, specjalne światłowody, precyzyjne filtry falowe, stabilne multipleksery optyczne.

Ze względu na niewielki odstęp między kanałami wymagane są ponadto: wysoka precyzja laserowych układów optycznych oraz ich stabilizacja temperaturowa - to zaś jeszcze bardziej podnosi koszt sieci DWDM.

Technologia CWDM to rozwiązanie z kategorii "dostatecznie dobrych". Zamiast gęstego podziału pasma na kanały w CWDM stosowany jest podział zgrubny, co oczywiście powoduje zmniejszenie pojemności pojedynczego włókna. W każdym oknie optycznym w CWDM można zmieścić 8-16 kanałów lambda. Technologia CWDM zakłada wykorzystanie zwykłych, a nie specjalnych włókien światłowodowych. Zwiększona z tego tytułu tłumienność sygnału ogranicza przepływność jednego kanału lambda do 2,5 Gb/s. To nie to samo co 10 czy nawet 40 Gb/s na kanał w DWDM, wciąż jednak nieźle jak na sieć miejską.

Do tego dochodzi jeszcze zmniejszony w stosunku do DWDM zasięg sieci. Limit odległości pomiędzy węzłami CWDM to w praktyce ok. 100 km - a więc dwukrotnie mniej niż w typowym rozwiązaniu DWDM, w warunkach miejskich to jednak aż nadto. Większość "słabości" CWDM można jednak na różne sposoby kompensować. Dostępną przepływność pojedynczego kanału można zaś starać się efektywnie zagospodarować, wdrażając protokoły oferujące wydajne kodowanie, np. Gigabit Ethernet zamiast raczej kulejącego pod tym względem ATM. Przede wszystkim jednak pojemność sieci można zwiększać, "podświetlając" kolejne nieużywane dotąd włókna światłowodowe.

CWDM od podszewki

Pierwsze multipleksery dostępowe działające w technologii CWDM wykorzystywały jedynie 8 kanałów w paśmie 1470-1610 nm. Tę liczbę kanałów można stosunkowo łatwo podwoić przez jednoczesne wykorzystanie drugiego okna transmisyjnego (1310-1450 nm), jednak w praktyce ten sposób rozszerzania pojemności traktów CWDM jest rzadko używany. Ulokowanie dodatkowych ośmiu kanałów w oknie o wyższej tłumienności fal powoduje zredukowanie budżetu użytecznej mocy dla kanałów we wszystkich oknach optycznych, a w konsekwencji skrócenie zasięgu transmisji prawie o połowę.

Ponadto do takiej transmisji są potrzebne specjalne włókna światłowodowe, niwelujące efekt podwyższonej tłumienności w obszarze tzw. Zero Water Peak, w którym występuje absorpcja jonowa OH-. Trzecie okno optyczne światłowodu nadal pozostaje podstawą transmisji dla technologii CWDM. Najnowsze rozwiązania technologiczne CWDM firmy Microsens pozwalają już jednak ulokować w trzecim oknie do 16 kanałów dupleksowych, bez ograniczania podstawowego zasięgu transmisji.

W technologii CWDM standardowy odstęp między kanałami to 20 nm. Tak szeroki odstęp pozwala na stosowanie tanich laserów - nawet z dużym tzw. dryfem temperaturowym. Elementy CWDM nie potrzebują żadnej stabilizacji temperaturowej, przez co są znacznie mniejsze i tańsze od podobnych rozwiązań dla DWDM, a ponadto zużywają wyraźnie mniej energii. CWDM wykorzystuje bardzo proste, niedrogie filtry optyczne, co dodatkowo obniża koszty.

Rozwiązania DWDM projektowano na potrzeby "dużych" sieci długodystansowych, dlatego w sieciach miejskich technologia ta jest nieekonomiczna. Według badań prowadzonych w USA większość działających w miastach sieci DWDM nie wykorzystuje nawet połowy zainstalowanego pasma szkieletu. Technologia CWDM wręcz odwrotnie - od początku była projektowana z myślą o sieciach krótko- i średniodystansowych. Standard CWDM nie obejmuje żadnych układów wzmacniających i przewiduje poprawną transmisję na odległość do 100 km.

Korzystając ze specjalnego wzmacniacza pasma, zasięg łącza CWDM można wydłużyć do ok. 160 km. To jednak możliwość dostępna nieco na wyrost. Poszczególne odcinki magistrali metropolitarnych nie przekraczają zwykle kilku kilometrów. To m.in. dlatego podłączanie sieci dostępowych do szkieletu CWDM może się odbywać za pomocą prostych i tanich multiplekserów rozdzielczych typu ADM (Add-Drop Multiplexer).

8-16 - tyle kanałów optycznych mieści się w pojedynczym oknie optycznym typowego rozwiązania CWDM.

Każdy kanał może mieć przepływność do 2,5 Gb/s. Dla porównania, w technologii DWDM pojedyncze okno optyczne mieści nawet kilkaset kanałów, z których każdy może mieć przepływność 2,5-40 Gb/s.