2. CWDM – это просто!
2.1 Основы CWDM
Частичным решением проблем классических двухволоконных систем связи и WDM систем уплотнения вполне может стать (и очень часто становится!) система уплотнения CWDM.
CWDM (от англ. Coarse Wavelength Division Multiplexing – грубое уплотнение с разделением по длине волны) – также, как и WDM, частный случай частотного уплотнения.
Отличие CWDM от WDM состоит, в первую очередь, в бОльшем количестве длин волн (или спектральных каналов) – их 18 в CWDM против двух в WDM.
Спектральные каналы в CWDM«упакованы» более плотно, чем в WDM: все 18 каналов находятся в спектральном диапазоне от 1270 до 1610нм, который охватывает все освоенные диапазоны для передачи световых сигналов водномодовом оптическом волокне (это – диапазоны О, Е, S, C и L).
Шаг между центральными длинами волн каждого канала составляет 20нм, при максимальной ширине каждого канала +/- 7.5нм (в рекомендации ITU-Т G.694.2заявленное отклонение от центральной длины волны находится в диапазоне ±6…7нм).
Стоит отметить, что каждый спектральный канал CWDM имеет свою уникальную характеристику, состоящую из показателя затухания на километр волокна (он же – погонное затухание, синяя линия на рисунке) и показателя хроматической дисперсии (красная линия на рисунке).
Старые одномодовые волокона (G.652 A и G.652B) не прозрачны для светового излучения в диапазоне Е (так называемый «водный пик»), поэтому для задействования всех каналов CWDM системы необходимо использовать современные одномодовые оптические волокна (G.652 C или G.652D). У таких волокон влияние «водного пика» сведено к минимуму (синий пунктир на рисунке 3).
Одной из основных особенностей CWDM систем уплотнения является возможность «паровать» любые из 18 длин волн между собой, образуя прямой и обратный каналы одного дуплексного канала связи. Главное – чтобы излучение на конкретной длине волны поступало в волокно только от одного источника (чтобы избежать коллизий).
Соответственно, в одном волноводе можно «спаровать» максимум 9 дуплексных каналов связи, причем абсолютно не важно, с какой скоростью и в каком формате передаются данные в каждом отдельно взятом «дуплексе».
Кроме того, CWDM системы можно безболезненно интегрировать в другие (уже работающие) системы уплотнения (например, WDM или DWDM), наращивая ёмкость и повышая эффективность конкретного оптического волокна.
2.2 Выбор пар спектральных каналов CWDM
Отдельно стоит рассмотреть принцип подборки парных CWDM каналов для создания дуплексного канала связи.
Как уже было отмечено ранее, каждый спектральный канал CWDM системы имеет своё уникальное затухание на километр.
Опираясь на этот факт и на здравый смысл, мировое сообщество и ведущие инженеры компаний-интеграторов рекомендуют паровать спектральные каналы CWDM не абы как, а по определённым правилам.
Суть правил сводится к тому, что не следует паровать спектральные каналы с большой разницей в затуханиях, ведь итоговая дальность дуплексного канала связи при прочих равных условиях будет ограничена спектральным каналом, имеющим бОльшие погонные потери.
Другими словами, если один из пары спектральных каналов может «пробить» максимум 50км, а второй – максимум 80км, то система в полном дуплексе сможет работать только на 50км.
Самое большое погонное затухание имеют длины волн 1270нм и 1290нм. Именно по этой причине их часто не используют в стандартной аппаратуре уплотнения – использовать их разумно только в паре в качестве служебного канала связи на небольших расстояниях.
8 длин волн из «верхнего» диапазона (от 1310нм до 1450нм) имеют средние показатели затухания, и их эффективно паровать между собой как заблагорассудится, однако, и здесь есть ряд нюансов.
Если задача состоит в том, чтобы качественно пропустить из точки А в точку Б максимум дуплексных каналов, то эффективно использовать методику «расходящаяся восьмёрка»: паруются центральные пары волн, потом – соседние по краям от центральных и так далее. Таким образом достигается усредненное затухание для всех пар длин волн, но система работает не на максимальную дальность.
В случае, когда требуется «пробить» максимальное расстояние небольшим количеством дуплексных каналов, а оставшиеся вывести из волокна «по дороге» — пары формируются из двух соседних длин волн, имеющих максимально схожие затухания.
8 длин волн из «нижнего» диапазона (от 1470нм до 1610нм) имеют наименьшие показатели затухания среди всех CWDM длин волн, и их выгоднее использовать на дальние расстояния, при этом принципы подборки пар остаются теми же самыми.
2.3 Особенности приёмопередатчиков CWDM
Возможность паровать разные спектральные каналы между собой в любом порядке делает систему уплотнения CWDM очень гибкой.
Достигается это благодаря специфической конструкции оптических приёмопередатчиков: все приёмопередатчики – двухволоконные (с разделёнными приёмником и передатчиком),но, в отличии от классических двухволоконных систем связи, каждый приёмопередатчик излучает на одной конкретной из 18 возможных длин волн, а приёмник может детектировать сигнал на любой длине волны CWDM диапазона.
Два любых (даже с одинаковыми длинами волн излучателя!) CWDM приёмопередатчика можно соединить между собой при помощи двухволоконной линии связи, при этом они будут работать в «классическом двухволоконном» режиме.
Отдельно стоит отметить, что современная промышленность производит CWDMтрансиверы (приёмопередатчики) всех известных форм-факторов (GBIC, SFP, SFP+, XFP и проч.), которые могут работать на скоростях вплоть до 10Гбит/с, формируя «дуплексы» на дальности до 80км при скорости 10Гбит/с и до 150км при скорости 1Гбит/с.
Но вернемся к волокну и процессах, происходящих в нём.
Пока на широкополосный приёмник CWDM трансивера поступает только один сигнал на конкретной длине волны – всё хорошо и работает, но как только (и если вдруг!) на приёмник поступит более одного сигнала на разных длинах волн – приёмник просто не сможет «разобраться», какой сигнал ему следует детектировать, и произойдет ошибка приёма.
Для того, чтобы избежать подобных ситуаций, перед приёмником необходимо установить внешний CWDM фильтр, который пропустит на приёмник только один сигнал на конкретной длине волны.
На этом этапе внимательный читатель уже усвоил для себя три основные составляющие CWDM систем, но, на всякий случай, еще раз повторимся:
– уникальная для каждого передатчика длина волны (естественно, в рамках CWDM диапазона);
– широкополосный приёмник;
– CWDM фильтр, который обязательно необходимо установить перед приёмником.
2.4 CWDM фильтр. Принцип работы
Для дальнейшего понимания происходящего необходимо разобраться, что такое CWDM фильтр и как он работает.
На самом деле, у этого пассивного устройства есть огромное количество названий: FWDM фильтр, CWDM Mini Cell, CWDM колба, Three-Port Filter и масса других.
Физически устройство представляет собой металлическую или стеклянную трубку около 5см длиной, к которой прикреплены три оптических пигейла.
Металлические CWDM фильтры обычно поставляются на рынок в виде готовых устройств для использования «как есть» в качестве, собственно, оптического фильтра. Такие фильтры обычно имеют оптические коннекторы (например, LC/UPC или SC/UPC) на концах пигтейлов для удобства использования.
Стеклянные CWDM фильтры являются компонентом для создания CWDM мультиплексоров (об этом – далее). Такие фильтры, в отличие от металлических собратьев, более хрупкие и требуют дополнительной защиты от внешних воздействий. Кроме того, стеклянные фильтры обычно поставляются с пигтейлами, не имеющими коннекторов на концах (под сварку).
Сам оптический фильтр вместе с системой линз находится глубоко внутри устройства и особого интереса не представляет, за исключением полосы пропускания.
Пропускать фильтр может как узкую полосу лазерного излучения (+/- 7.5нм от центральной длины волны, например 1550нм +/- 7.5нм), так и широкую (например, +/-40нм или вообще половину CWDM диапазона).
Работает CWDM фильтр «в обе стороны», позволяя как вводить в волокно, так и выводить из него оптический сигнал на нужной длине волны.
Каждый из трёх выводов CWDM фильтра отвечает за свою задачу, и если выводы соединить неправильно, то, в лучшем случае, CWDM система просто не будет работать («не поднимется линк»).
Вывод Pass (P) – вывод, в который вводится (или из которого выводится) нужная длина волны.
Вывод Common (COM или C) – общий вывод в линию связи. Если требуется ввести новую длину волны в линию связи, сначала её подают в вывод Pass. Фильтр «подмешивает» новую длину волны к уже имеющимся и групповой сигнал выходит из вывода COM.
Если требуется вывести из линии связи длину волны, содержащуюся в групповом сигнале, в вывод COM необходимо подать групповой сигнал, а из вывода Pass получить требуемую длину волны.
Вывод Reflection (REF, R, иногда — EXPRESS) – «транзитный» вывод. В него подаётся первичный групповой сигнал перед процедурой ввода новой длины волны, в него же выводится остаточный групповой сигнал после процедуры вывода длины волны из линии связи.
Каждый фильтр «гасит» как групповой сигнал, проходящий сквозь него, так и вводимую/выводимую длину волны примерно на 0,3дБ – это всегда необходимо учитывать при проектировании линии связи!
Благодаря фильтрам можно связать пару CWDM приёмопередатчиков между собой, используя не два волокна, а одно. Рассмотрим это на примере.
Допустим, необходимо «поднять линк» по одному волокну между парой трансиверов с длинами волн передатчиков 1550нм (красный) и 1530нм (синий).
Для этого потребуется пара CWDM фильтров на соответствующие длины волн.
Рассмотрим, как будет двигаться сигнал на длине волны 1550нм (будет двигаться он слева-направо):
- сигнал, выходя из передатчика, сразу же попадает на вывод REF фильтра 1530нм, после чего проходит фильтр «насквозь» и попадает в линию связи через вывод COM;
- на приёмной стороне сигнал на длине волны 1550нм попадает в COM вывод фильтра 1550нм, отфильтровывается и попадает через вывод PASS на приёмник трансивера.
Обратный сигнал от трансивера с излучателем на длине волны 1530нм двигается аналогично прямому.
Этот простой пример показывает базовые принципы работы CWDM систем уплотнения. В этом примере работа велась всего с двумя длинами волн и обычно вместо такой сложной схемы обычно используют стандартные WDM системы уплотнения.
CWDM система уплотнения начинает проявлять свою мощь при наращивании числа оптических каналов минимум до четырех, когда в одном волокне начинают работать сразу два дуплексных канала связи.
Но для того, чтобы ввести и вывести из одного волокна большое число длин волн, одиночного CWDM фильтра будет недостаточно, и тогда для организации связи потребуется уже упомянутое ранее (но не рассмотренное до сих пор) устройство — мультиплексор.
Напоследок стоит отметить, что Рисунок 9 – это идеальная схема включения пары CWDM трансиверов для работы по одному волокну. Гораздо практичнее применять схему включения, обозначенную на Рисунке 10 ниже из-за возможности просто и быстро добавить еще некоторое количество оптических каналов связи.
2.5 Мультиплексор. Внутреннее строение и принцип работы
Как некоторые из Вас уже догадались, сейчас речь пойдет про мультиплексоры, а для тех, кто не знает, что это такое, дадим определение:
оптический мультиплексор – устройство, объединяющее оптические каналы в групповой оптический сигнал или разделяющее групповой оптический сигнал на спектральные составляющие (последнее устройство называется демультиплексор). Иногда (в последнее время всё чаще) оптический мультиплексор выполняет сразу обе эти функции.
Внутри обычного CWDM мультиплексора находится массив сваренных между собой CWDM фильтров на разные длины волн. Фильтры сварены по принципу «транзитный выход первого является входом для второго» (другими словами, «хвостом» COM к «хвосту» REF).
Все пигтейлы PASS выведены из корпуса мультиплексора и напрямую подключаются к трансиверам (обычно эти выводы дополнительно «упаковывают» во вторичный защитный буфер диаметром 2мм или 3мм).
Самый первый пигтейл COM(который, кстати, тоже упакован во вторичный защитный буфер) подключается в линию связи.
Последний пигтейл REF или спрятан внутри корпуса, или может быть выведен из него для каскадирования мультиплексоров (опять же, в буфере).
Однако, не стоит забывать про потери мощности на каждом фильтре в каскаде. Когда групповой сигнал входит в мультиплексор, то первый отфильтрованный оптический канал теряет 0,3дБ мощности, второй – 0,6дБ, третий – 0,9дБ и так далее. У стандартного мультиплексора на 8 длин волн (1х8) затухание на последнем фильтре примерно равно 2,4дБ, что уже не мало, а у такого же мультиплексора на 16 длин волн (1х16) потери на последнем канале составят около 5дБ!
А теперь представьте, что такие мультиплексоры установлены с двух сторон линии связи – потери получаются ужасающе высокими! Поэтому для многоканальных мультиплексоров существуют несколько другие способы внутренней компоновки.
Как раз для многоканальных мультиплексоров и были разработаны широкополосные FWDM фильтры, о которых упоминалось ранее.
Такие фильтры устанавливаются на входе в мультиплексор и формируют не один внутренний каскад CWDM фильтров, а сразу два, значительно уменьшая суммарные потери на крайних каналах каждого каскада.
Для компенсации паразитных потерь на каскаде CWDM фильтров, мультиплексоры обычно выпускают «в парах». Отличаются парные мультиплексоры друг от друга последовательностью сварки фильтров внутри.
Как уже было отмечено ранее, при работе CWDM системы в одном волокне каждый из мультиплексоров занимается мультиплексированием части каналов и демультиплексированием оставшихся каналов одновременно.
Работает такая пара мультиплексоров по принципу «если с одной стороны длина волны входит в волокно, значит с другой она обязательно должна выйти в приёмник трансивера».
Однако, в последнее время всё чаще инженеры задействуют сразу два волокна для размещения в них CWDM системы уплотнения. Логика проста: в два раза больше волокон – в два раза больше пропускная способность системы. При этом, реализовать такую систему можно по-разному.
2.6 Двухволоконные мультиплексоры
У многих инженеров есть мнение, что для работы по двум волокнам в первую очередь необходимо обзавестись «двухволоконными» мультиплексорами. Попытки поиска таких устройств на рынке часто не дают результата – двухволоконные мультиплексоры умеют продавать все, но ни у кого их на складе нет (позиция обычно заказная и требуется время на её изготовление и доставку, что, согласитесь, не всегда удобно).
Однако, если рассмотреть внутреннее устройство двухволоконного мультиплексора, окажется, что это по сути два одинаковых одноволоконных мультиплексора в одном корпусе.
С экономической точки зрения всё предельно просто: стоимость мультиплексора обычно рассчитывается исходя из стоимости CWDM фильтра помноженного на количество этих фильтров в конечном устройстве, так что, по сути, нет никакой разницы в цене между, например, мультиплексором 2х4 и двумя мультиплексорами 1х4.
При работе с парой двухволоконных мультиплексоров обычно выделяют одно волокно на «прямой» поток, а второе – на «обратный». При этом «прямой» и «обратный» оптические каналы одного «дуплекса» определяются одной длиной волны (например, по одному волокну сигнал от одного «дуплекса» идёт «туда» на длине волны 1530нм, а по второму возвращается обратно на той же самой длине волны 1530нм).
В случае, если необходимо собрать двухволоконный мультиплексор из пары одноволоконных, есть два способа включения.
Первый вариант – включение по тому же самому двухволоконному принципу, когда на одной стороне установлен мультиплексор для прямого канала (подключен к первому волокну) и демультиплексор для обратного (подключен ко второму волокну). На другой стороне – зеркально наоборот.
Второй вариант – две независимых одноволоконных системы в двух разных волокнах.
Как уже упоминалось ранее, двухволоконные мультиплексоры сегодня – редкость, изготавливаются они в большинстве случаев «под заказ» и поэтому многие продавцы относят их в разряд «нестандартных» мультиплексоров.
2.7 OADM
Многие производители мультиплексоров согласны выполнить любую прихоть клиента (естественно, за дополнительную плату), но и среди нестандартных мультиплексоров сформировался устойчивый спрос на определенные конфигурации:
- мультиплексоры 1х18 – для стопроцентного использования CWDM диапазона;
- «проходные» мультиплексоры – устройства с небольшим числом каналов и EXPRESS портом (для каскадирования устройств мультиплексирования по мере необходимости);
- мультиплексоры с отдельным выводом для подачи CATV сигнала от передатчиков, излучающих на длине волны 1310+/-40нм или на длине волны 1550+/-20нм (или на 1570+/-20нм – смотря какой передатчик).
Кроме всего вышеперечисленного есть еще один класс устройств мультиплексирования, которые продавцы оборудования также очень редко держат на складе – OADM.
OADM (англ. Optical Add—Drop Multiplexer) – оптический мультиплексор ввода/вывода. Используется это устройство в случае, когда где-нибудь «по дороге» из пункта А в пункт Б из магистрального волокна необходимо вывести (или в магистральное волокно ввести) один или несколько дуплексных каналов связи.
В самом простейшем случае OADM – это тот же «проходной» мультиплексор с парой CWDM фильтров внутри. Более сложные устройства способны работать сразу на два направления, выводя одни дуплексные каналы связи с одной стороны, и вводя другие с другой (иногда на тех же самых длинах волн).
OADM в заводском исполнении представляет собой небольшую пластиковую коробку с магистральными и «абонентскими» выводами.
«Коробочное» решение очень удобно в эксплуатации – поставил и забыл, ничего не надо варить, ничего не надо тестировать – главное соблюдать направление оптических сигналов для корректной работы. Кроме того, коробочное решение имеет малые внутренние потери за счет заводской сборки.
Недостатки готовых OADM начинают проявляться уже на этапе их покупки – очень сложно найти устройство, способное удовлетворить конечного провайдера, особенно если его инженеры используют нестандартные пары длин волн для дуплексов или вводят/выводят не один дуплекс, а два или больше.
Кроме того, коробочное решение неудобно при изменении топологии или логической схемотехники сети (их невозможно разобрать и добавить или извлечь из них оптические каналы).
Поэтому многие поставщики CWDM оборудования взяли за практику не поставлять «коробочные» решения, а возложить проектирование и изготовление OADM любого формата на плечи провайдера.
На Рисунке 16 схематично показано, как можно использовать CWDM фильтры в качестве OADM.
Рисунок демонстрирует магистральную линию связи, основные потоки которой рождаются на стороне А и вводятся в волокно при помощи мультиплексора.
Точка А и точка D связаны между собой напрямую одним дуплексным каналом связи (длины волн 1530нм и 1550нм).
Точка А и точка B также связаны между собой одним дуплексным каналом связи на длинах волн 1470нм и 1610нм, при этом в точке B эти длины волн полностью выводятся из магистрали и далее не используются.
Из точки А в точку C приходит один дуплексный канал связи (длины волн 1510нм и 1570нм), при этом этот дуплексный канал связи полностью исключается из волокна в точке C.
Но на этих же длинах волн (1510нм и 1570нм) из точки С в точку D поднимается новый дуплексный канал связи.
Как видно, при большом количестве вводов/выводов можно использовать одни и те же длины волн несколько раз при условии, что они не заняты на текущем отрезке магистрали.
2.8 CCWDM
Стоит отметить, что хоть CWDM технология не пользовалась большой популярностью достаточно долгое время, но к тому моменту, когда CWDM уплотнение стало востребовано, разработчики уже «обновили» технологию создания мультиплексоров.
В отличие от «старой» проверенной временем технологии каскадирования CWDM фильтров, современные CWDM мультиплексоры изготавливаются по планарной технологии.
Эта технология предполагает создание сложного планарного волновода, который дополнен коллиматорами и тонкопленочными фильтрами. Устройства мультиплексирования, выполненные по этой технологии, получили название CCWDM мультиплексоры (CompactCWDM).
CCWDM мультиплексоры по началу не пользовались популярностью в первую очереди из-за своих размеров – чуть больше спичечного коробка.
Инженеры интернет-сервис провайдеров с опаской относились к столь малому устройству, которое, к тому же, было достаточно сложно закрепить в стандартной патч-панели.
Но этот недостаток легко решить при помощи двухсторонней липкой ленты, а вот достоинства CCWDM устройств достаточно быстро перевели их из разряда бесполезных диковинок в крайне необходимую вещь.
Чуть раньше мы уже акцентировали внимание на том, что «колбовые» мультиплексоры имеют разный показатель внутреннего затухания на каждом канале из-за каскадирования внутренних элементов.
CCWDM мультиплексоры в силу своего внутреннего строения практически лишены этих недостатков: внутреннее затухание по каждому каналу в таких устройствах практически одинаково (около 1.5дБ на канал для мультиплексоров 1х8 и около 3дБ на канал для мультиплексоров 1х18).
Это позволяет более эффективно использовать оптический бюджет CWDM приёмопередатчиков на больших пролетах магистральных линий связи.
2.9 Недостатки CWDM
Несмотря на целый ряд достоинств, CWDM системы уплотнения обладают и рядом недостатков, присущихи недорогим системам оптической связи, а именно:
- Ограниченный радиус действия.
Как и в простых системах оптической связи, оптический сигнал CWDM диапазона невозможно усилить, а значит, дальность действия по-прежнему ограничена оптическим бюджетом приемопередатчиков.
Эта дальность равна 150км для гигабитных линков и 80км для десятигигабитных линков.
Кроме того, на 10G каналы связи начинает влиять хроматическая дисперсия, что также ограничивает дальность действия;
- Дополнительный бюджет потерь за счет использования пассивной аппаратуры уплотнения, вносящей свои затухания.
К сожалению, мультиплексоры, OADM и CWDM фильтры – это необходимое зло, с которым необходимо мириться.
- Невозможность оптической регенерации группового CWDM сигнала и его спектральных составляющих.
CWDM диапазон достаточно широк, а современные оптические усилители-регенераторы на основе эрбия не способны справиться с таким широким диапазоном.
Выходом из сложившейся ситуации может стать 3R регенерация – восстановление оптической мощности, формы сигнала, синхронизация сигнала по времени и коррекция ошибок. 3R регенерацию можно осуществить при помощи следующих действий:
- Принять ослабленный оптический сигнал;
- Перевести оптический сигнал в электрическую форму;
- Перевести сигнал из электрической формы обратно в оптическую и выдать его в линию.
Для этих целей необходим как минимум свитч, набор приёмопередатчиков и мультиплексоры, что делает 3R регенерацию, особенно на скорости 10Гбит/с, достаточно дорогим удовольствием.
Хотя в последнее время китайские производители телекоммуникационного оборудования стараются максимально дешево удовлетворить потребности 3R регенерации. Например, китайский производитель BDCOM выпустил крайне дешевый свитч второго уровня с 12-ю 10G портами форм-фактора SFP+, способный провести 3R регенерацию сразу 6-ти дуплексных десятигигабитных линков.
<< Кратко о дуплексной связи «Нестандартное» использование CWDM >>
