1. Кратко о дуплексной связи
1.1 Двухволоконная связь
Для начала (для качественного понимания происходящего далее) необходимо вспомнить базовые основы оптической связи.
Как известно, современная связь – дуплексная. Такой способ связи предполагает, что передача и приём ведется одновременно каждым участником связи, причем потоки данных на передачу и на приём для каждого конкретного участника обмена данными должны быть физически разделены между собой.
Другими словами, к каждому сетевому устройству должно подходить минимум две независимые линии связи: одна на передачу данных, вторая – на приём.
То есть используются два независимых физических канала (применительно к оптоволоконным линиям связи это — два волокна, по одному из которых сигнал передается «туда», по другому – «обратно»), в каждом из которых световой сигнал передается на одной и той же длине волны (это утверждение верно для классических оптоволоконных линий связи).
Главная особенность двухволоконной связи – это возможность работы с любыми оптическими волноводами, такими как одномодовое волокно (англ. SingleModeFiber или SFM) или многомодовое волокно MMF(англ. Multi Mode Fiber или MMF).
Для двухволоконной связи характерны следующие длины волн:
- 850нм или 1310нм для MMF;
- 1310нм или 1550нм для SMF;
Рабочая длина волны часто зависит от расстояния, на которое требуется передать сигнал. Например, для одномодового волокна на небольшие дистанции обычно используется длина волны 1310нм, а на большие – 1550нм.
Сопоставляя максимальные скорости и дальности, характерные для двухволоконной связи, с типом оптического волокна, можно получить зависимость, не изменяющуюся уже на протяжении десятка лет.
Подводя итоги можно отметить, что двухволоконную связь можно организовать на дальность:
- до 300м при скорости передачи данных 10Гбит/с;
- до 2км при скорости передачи данных 1Гбит/с.
Это верно для многомодовых волноводов, для одномодовых волноводов эта ситуация гораздо лучше:
- до 80км при скорости 10Гбит/с;
- до 150км при скорости 1Гбит/с.
Для экономии волокна при использовании двухволоконных приемопередатчиков ранее использовались (да и сейчас периодически применяются) оптические циркуляторы, основная задача которых — «разворачивать» плоскость поляризации прямого и обратного оптического сигнала на одной и той же длине волны перпендикулярно друг другу. Благодаря таким манипуляциям со световым потоком, становится возможным работать «туда» и «обратно» на одной длине волны в одном и том же оптическом волокне.
Сегодня циркуляторы – это очень дорого и неудобно, а иногда и небезопасно:
- стоимость циркулятора гораздо выше, чем стоимость самого простого мультиплексора (при этом даже самое несложный мультиплексор сможет обеспечить ввод/вывод большего количества дуплексных каналов связи на одно волокно);
- при обрыве оптического волокна приёмопередатчики на двух сторонах линии связи не всегда способны качественно детектировать обрыв: отраженный световой сигнал с торца оборванного волокна (или неподключенного оптического патчкорда) попадает назад в приёмник оптического приёмопередатчика. Последствия такой ситуации могут быть самыми непредсказуемыми.
1.2 WDM
С недавнего времени на смену двухволоконным системам связи пришла относительно молодая технология, которая позволяет передавать один дуплексный канал связи по одному волокну. Имя ей – WDM!
WDM (от англ. Wavelength Division Multiplexing – мультиплексирование с разделением по длине волны) – частный случай частотного мультиплексирования.
В основу принципа действия по-прежнему положено утверждение о том, что прямой и обратный поток для дуплексной связи должны быть разделены физически, но ведь это утверждение (как и любое утверждение вообще) можно трактовать по-разному.
Лучшие умы современности выразили мнение, что физическое разделение двух оптических каналов связи не всегда означает, что оптические сигналы этих каналов должны двигаться в разных волокнах – можно ведь в одном волокне запустить навстречу друг другу два «разноцветных» световых сигнала, которые не будут мешать друг другу!
При этом, физические характеристики встречных световых потоков останутся разными (разная длина волны света), а это значит, что их (световые потоки) можно различать в общем волноводе.
Для полноценной работы такой системы (в народе такая система называется «одноволоконной») приёмопередатчик WDM имеет «на борту» передатчик и приёмник, настроенные на разные длины волн, а также встроенный блок фильтров.
Другими словами, одноволоконное устройство приёма/передачи излучает на одной длине волны, а принимает на другой. А для того, чтобы всё это действо не превратилось «в кашу», в каждом таком приёмопередатчике установлены фильтры.
Приемопередатчики WDM работают «в паре». Каждый приемопередатчик в паре имеет «зеркальные» длины волн приёма и передачи, например:
- один трансивер из пары имеет длины волн передатчика 1310nm и приемника 1550nm;
- второй трансивер из пары имеет всё то же, но зеркально наоборот (передатчик излучает на длине волны 1550nm, а приёмник детектирует сигнал на длине волны 1310nm).
В мировой практике существует всего три основных пары длин волн для гигабитных и сто-мегабитных оптических WDM приёмопередатчиков, а именно:
- 1310/1550нм;
- 1310/1490нм;
- 1490/1550нм.
Для WDM приёмопередатчиков, работающих на скорости 10 гигабит в секунду, стандартная пара длин волн всего одна:
- 1270/1330нм.
Конечно, никто не отменял «нестандартные» пары длин волн, но производители оборудования стараются не отступать от общемировых стандартов, чтобы не плодить узкоспециализированные и несовместимые со всем остальным оборудованием приёмопередатчики.
Как и в случае с двухволоконными приёмопередатчиками, разные пары длин волн WDM используются на разные дальности – чем «длиннее» волна, тем на большее расстояние есть возможность организовать канал связи.
Максимальная дальность действия WDM трансиверов:
- до 60км при скорости передачи данных 10Гбит/с;
- до 120км при скорости передачи данных 1Гбит/с.
Отдельно следует отметить особенность трансиверов WDM – они работают только в одномодовом волокне (SMF).
1.3 Недостатки «простых» оптических систем связи
У классических двухволоконных систем связи и WDM систем уплотнения есть свои недостатки:
- неэффективное использование волокна (характерно в первую очередь для двухволоконных линий связи) – фактически, для организации одного дуплексного канала связи применяется избыточное количество оптических волокон, что само по себе достаточно дорого и на сегодняшний день вообще лишено смысла;
- ограниченный радиус действия из-за хроматической дисперсии (актуально для 10G) и оптического бюджета/бюджета потерь (актуально как для 1G, так и для 10G). Хроматическая дисперсия пагубно влияет на высокоскоростной 10Гбит/с сигнал, разрушая его, а оптический бюджет трансиверов невозможно увеличить без специального внешнего оборудования;
- невозможно стандартными способами расширить канал связи двухволоконных или WDM систем связи путем добавления новых спектральных каналов, повысив тем самым эффективность использования оптического волокна;
