Sieci WDM

Sieci WDM
Uwaga: od 2004/05 Wprowadzenie do WDM
włączono do wykładu Światłowody 2 (VI EOT)
Wavelength Division Multiplexing
Dense Wavelength Division Multiplexing
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. 915 – 1100 w sali A-2 w budynku M1 przy ul. Długiej 61
22 listopada 2005 roku w godz. 1400 – 1700 w sali A-2 w budynku M1 przy ul. Długiej 61
© Sergiusz Patela 1999-2001
Systemy WDM
2
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
© Sergiusz Patela 1999-2001
Systemy WDM
Światłowód
3
Współczesny światłowodowy system transmisyjny
(klasyczny)
Wzmacniacz
optyczny
Sprzęgacz
Kabel
światłowodowy
Detektor
Filtr
wyrównawczy
Linia
opóźniająca
Dekoder
Zasilacz i
sterownik
lasera
Multiplekser
Detektor
kontrolny
Separator linii
Modulator
Koder
Laser
pp
Sygnał synchronizacji
Sygnał
elektryczny
© Sergiusz Patela 1999-2001
Sygnał
optyczny
Systemy WDM
4
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 1999-2001
Systemy WDM
5
Zwielokrotnianie czasowe - ograniczenia
Tłumienie [dB/km]
• Typowa magistrala dzisiaj: zwielokrotnianie czasowe na jednej
długości fali. W łączu docelowym częstotliwości węzłów (1Gb/s)
sumują się
1Gb/s
1
2
3
1Mb/s1Mb/s1Mb/s
1000
1Mb/s
25 THz
0,2 dB/km
1,5 Długość fali [µm]
1Tb/s
1
2
3
1Gb/s1Gb/s1Gb/s
Tłumienie [dB/km]
•Zwiększanie szybkości w poszczególnych kanałach wymaga
zastosowania łącza o bardzo wysokiej częstotliwości.
?
1000
1Gb/s
25 THz
0,2 dB/km
1,5 Długość fali [µm]
© Sergiusz Patela 1999-2001
Systemy WDM
6
1Tb/s
1
2
3
1Gb/s1Gb/s1Gb/s
Tłumienie [dB/km]
WDM - rozwiązanie problemów zwielokrotniania
czasowego
?
1000
1Gb/s
25 THz
0,2 dB/km
1,5 Długość fali [µm]
© Sergiusz Patela 1999-2001
Systemy WDM
7
Transmisja Światłowodowa - straty w
światłowodzie i dostępne długości fal
TŁUMIENIE WŁÓKNA ZE SZKŁA KRZEMIONKOWEGO
W FUNKCJI DLUGOŚCI FALI ŚWIATŁA
[dB/km]
25 THz
50
II okno
I okno
Tłumienność
10
5
III okno
30
3
1
0.5
0.3
0.1
Kanały WDM
0.6
0.8
1.0
1.2
1.4
1.6
1.8
[µm]
Długość fali
© Sergiusz Patela 1999-2001
Systemy WDM
8
Współczesny system światłowodowy typu WDM
Optyczne zwielokrotnianie kanałów zwiększa pojemność łącza.
XMTR
λ1
O
λ2
M
XMTR
U
λ
XMTR n X
OA
OA
OA
O λ1
D λ2
M
U λ
n
X
Det
Det
Det
System wielofalowy WDM:
Zalety
•Przezroczysty dla różnych przepływności i rodzajów modulacji
• Jeden wzmacniacz na włóknie dla wielu kanałów
• Odległość między regeneratorami 80-140km
Wady
• Akumulacja zniekształceń (dyspersja) i szumów
© Sergiusz Patela 1999-2001
Systemy WDM
9
Światłowodowe systemy przyszłości (WDM)
Zwielokrotnienie niezależnie
modulowanych kanałów
(2,4 do 10 Gb/s)
Add/Drop
multiplekser
λ1
λ2
λ3
λ4
Drop
λ2
O
M
U
X
Add
λ2
filtr
λ2, λ3, λ4, λ5 ... λn
wzmacniacz
EDFA
λn
Drop
λ1
Add
λ1
Add/Drop
multiplekser
Transmisja wielu niezależnie modulowanych i odczytywanych kanałów
© Sergiusz Patela 1999-2001
Systemy WDM
10
Proste łącze WDM
Jeden kabel (dwa światłowody) pozwala połączyć cztery
komputery.
System WDM pozwolił dwukrotnie zwiększyć pojemność
łącza.
© Sergiusz Patela 1999-2001
Systemy WDM
11
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 1999-2001
Systemy WDM
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 1999-2001
Systemy WDM
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 1999-2001
Systemy WDM
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 1999-2001
Systemy WDM
16
Wyciąg z projektu ETSI, propozycje
długości fal dla WDM (ITU-grid)
Częstotliwość (THz)
193,700
193,500
193,300
193,100
192,900
192,700
192,500
192,300
Długość fali (nm)
1547,72
1549,32
1550,92
1552,52
1554,13
1555,75
1557,36
1558,98
Częstotliwości pracy 8 kanałowego systemu WDM, łączność punkt-punkt
© Sergiusz Patela 1999-2001
Systemy WDM
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 1999-2001
Systemy WDM
34
Nieliniowe zjawiska optyczne we włóknach
światłowodowych (1)
• Nieliniowe zmiany współczynnika załamania wywołujące modulację
fazy:
współczynnik załamania szkła światłowodu zależy od natężenia
światła;
2
Φ NL = n2k0 L 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
© Sergiusz Patela 1999-2001
Systemy WDM
35
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 2f1-f2 i 2f2 f1;
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 1999-2001
Systemy WDM
36
Wpływ rozpraszania Ramana na jakość transmisji
w systemie DWDM
Optical power spectrum
Optical power spectrum
20
1
5
20
10
10
16
10
0
-10
0
-20
-10
1
-30
10
5
186
188
190
192
16
194
196
-20
186
18.0
1.E-00
17.6
1.E-06
17.2
16.8
ch. 1
16.4
ch. 16
16.0
192
194
196
ch. 16
ch. 1
1.E-12
1.E-18
1.E-24
1.E-30
1.E-36
50 100 150 200 250 300 350 400 450 500
Fiber Length [km]
© Sergiusz Patela 1999-2001
190
Frequency [THz]
BER
OSNR [dB]
Frequency [THz]
188
50 100 150 200 250 300 350 400 450 500
— channel 1
— channel 16
Systemy WDM
Fiber Length [km]
37
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 1999-2001
Systemy WDM
46
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 1999-2001
Systemy WDM
47
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
© Sergiusz Patela 1999-2001
Światłowód
Systemy WDM
48
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 1999-2001
Systemy WDM
49
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 1999-2001
Systemy WDM
50
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 1999-2001
Systemy WDM
51
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 1999-2001
Systemy WDM
52
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 1999-2001
Systemy WDM
53
Gwiazda pasywna (Passive star)
4x4
Input fiber 1
λ1
λ
λ1 λ1 1
λ1
Output fiber 1
λ1, ..., λ4
Input fiber 2
λ2
Output fiber 2
λ1, ..., λ4
Input fiber 3
Output fiber 3
λ1, ..., λ4
λ3
Input fiber 4
λ4
λ4
λ4 λ
4
λ4
Output fiber 4
λ1, ..., λ4
N connections
© Sergiusz Patela 1999-2001
Systemy WDM
54
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 N2
połączeń.
• Urządzenie nie może realizować funkcji broadcastowych.
© Sergiusz Patela 1999-2001
Systemy WDM
55
Router pasywny (Passive router)
Input
Output
λ1
1
λ4 λ3
λ2
2
λ4
λ2
λ2
λ1
1
λ3
λ4
2
λ3
3
λ4
4
λ2
λ3
λ3
λ1
3
λ2 λ
1
4
λ4
Demux
Mux
N2 connections
© Sergiusz Patela 1999-2001
Systemy WDM
56
Przełącznik aktywny
• Przełącznik może wykorzystywać wielokrotnie jedną
długość fali; liczba realizowanych jednocześnie połączeń
wynosi N2
• 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 1999-2001
Systemy WDM
57
Przełącznik aktywny (Active switch)
4x4
Input fib. 1
λ1
Input fib. 2
λ2
Input fib. 3
λ3
Input fib. 4
switch
λ1
Output fib. 1
switch
λ2
Output fib. 2
switch
λ3
Output fib. 3
λ1, ..., λ4
λ1, ..., λ4
λ1, ..., λ4
Output fib. 4
switch
λ4
λ4
λ1, ..., λ4
Mux
Demux
WRS =Wavelength Routing Switch (or Wavelenght Selecting Crosconnect - WSXC)
© Sergiusz Patela 1999-2001
Systemy WDM
58
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 1999-2001
Systemy WDM
59
Lokalna sieć WDM oparta na
strukturze gwiazdy pasywnej
Unicast
Multicast
Workstation
© Sergiusz Patela 1999-2001
Passive star
coupler
Systemy WDM
60
Rozległa sieć WDM z routingiem długości fali
B
C
λ2
A
λ1
6
1
7
5
2
H
Photonics switching
fabric
8
λ2
3
λ1
10
λ1
D
9
4
λ1
E
G
F
Access Station: contains tunable transmitters and receivers
Switch: contains photonics switch, amplifier, λ converter
© Sergiusz Patela 1999-2001
Systemy WDM
61