Мониторинг в DWDM-системах

Основным принципом технологии WDM (Wavelength-division multiplexing, частотное разделение каналов) является возможность передачи множества сигналов на различных несущих длинах волн в одном оптическом волокне. В российской телекоммуникационной отрасли системы передачи, созданные с помощью технологии WDM, называют «Системы уплотнения».

Рисунок 1. Принципиальная схема хWDM-системы

В настоящее время существуют три типа WDM-систем:

1. CWDM (Coarse Wavelength-division multiplexing, грубое частотное разделение каналов) — системы с разносом оптических несущих на 20 нм (2500 ГГц). Рабочий диапазон 1261-1611 нм, в котором можно реализовать до 18-ти симплексных каналов. Стандарт МСЭ G.694.2
2. DWDM (Dense Wavelength-division multiplexing, плотное частотное разделение каналов) — системы с разносом оптических несущих на 0,8 нм (100 ГГц). Существуют два рабочих диапазона — 1525-1565 нм и 1570-1610 нм, в которых можно реализовать до 44-х симплексных каналов. Стандарт МСЭ G.694.1
3. HDWDM (High Dense Wavelength-division multiplexing, высокоплотное частотное разделение каналов) — системы с разносом оптических несущих на 0,4 нм (50 ГГц) и менее. Возможна реализация до 80-ти симплексных каналов

Рисунок 2. Рабочие оптические диапазоны

В данном обзоре рассматривается проблема мониторинга в системах уплотнения DWDM, более подробно с различными типами WDM-систем можно ознакомиться в статье «Уплотнение каналов ВОЛС».

В системах спектрального уплотнения DWDM может быть использован один из двух диапазонов несущих длин волн:

1. С-диапазон — 1525-1565 нм (возможны варианты: Conventional band или C-band)
2. L-диапазон — 1570-1610 нм (возможны варианты: Long wavelength band или L-band)

Деление на два диапазона обосновано использованием оптических усилителей с разными рабочими диапазонами усиления. С-диапазон — ширина полосы усиления для традиционной конфигурации усилителя составляет примерно 30 нм (1530-1560 нм). L-диапазон — для усиления в длинноволновом диапазоне конфигурация эрбиевого усилителя меняется путем удлинения эрбиевого волокна, вследствие чего и происходит смещение диапазона усиления в длины волн 1560-1600 нм.

В настоящее время в российском телекоме большое признание получило оборудование DWDM C-диапазона. Связано это с наличием различного оборудования, поддерживающего данный диапазон. Производителями оборудования выступают не только маститые отечественные компании и ведущие мировые бренды, но и многочисленные неизвестные азиатские производители.

Основным вопросом на любом участке системы уплотнения (независимо от типа) является уровень мощности в оптическом канале. Для начала разберемся, какие обычно составляющие входят в систему уплотнения DWDM.

Компоненты DWDM-системы:

1. Транспондер
2. Мультиплексор/демультиплексор
3. Оптический усилитель
4. Компенсатор хроматической дисперсии

Рисунок 3. Общая схема DWDM

Стандартная схема состоит всего из двух типов активных компонентов — транспондера и усилителя, с помощью которых можно отслеживать текущий уровень мощности передаваемых сигналов.

Транспондер производит 3R-регенерацию («reshaping, «re-amplifying», «retiming» — восстановление формы, мощности и синхронизации сигнала), приходящего клиентского оптического сигнала. Транспондер может производить также конвертацию клиентского трафика из одного протокола передачи (зачастую Ethernet) в другой, более помехозащищенный (например, OTN с использованием FEC) и передавать сигнал в линейный порт.

Рисунок 4. Упрощенная схема транспондера

В более простых системах в роли транспондера может выступать OEO-преобразователь, который производит 2R-регенерацию («reshaping», «re-amplifying») и без изменения протокола передачи передает клиентский сигнал в линейный порт.

Рисунок 5. Упрощенная схема ОЕО-преобразователя 

Клиентский порт зачастую выполняется в виде слота для оптических трансиверов, в который вставляется модуль для связи с клиентским оборудованием. Линейный порт в транспондере может быть выполнен в виде слота для оптического трансивера или в виде простого оптического адаптера. Исполнение линейного порта зависит от конструктива и назначения системы в целом. В OEO-преобразователе линейный порт всегда выполнен в виде слота для оптического трансивера. Во многих системах промежуточное звено — транспондер, исключается в целях снижения стоимости системы или из-за функциональной избыточности в конкретной задаче.

Оптический мультиплексор предназначен для объединения (смешения) отдельных WDM-каналов в групповой сигнал для одновременной их передачи по одному оптическому волокну. Оптические демультиплексоры используются для разделения принятого группового сигнала на приемной стороне. В современных системах уплотнения, функции мультиплексирования и демультиплексирования выполняет одно устройство — мультиплексор/демультиплексор (MUX/DEMUX). 

Рисунок 6. AWG-мультиплексор

Мультиплексор/демультиплексор условно можно разделить на блок мультиплексирования и блок демультиплексирования.

Оптический усилитель на основе примесного оптического волокна, легированного эрбием (Erbium Doped Fibre Amplifier-EDFA), увеличивает (без предварительного демультиплексирования) мощность входящего в него группового оптического сигнала без оптоэлектронного преобразования. Усилитель состоит из двух активных элементов: активного волокна, легированного Ег3+ и подходящей накачки.

Рисунок 7. Принципиальная схема EDFA

EDFA в зависимости от типа может обеспечить выходную мощность от +16 до +26 дБм. Существует несколько видов усилителей, применение которых определяется конкретной задачей:

1. Входные оптические усилители мощности (бустеры) — устанавливаются в начале трассы
2. Оптические предусилители — устанавливаются в конце трассы перед оптическими приемниками
3. Линейные оптические усилители — устанавливаются на промежуточных узлах усиления для поддержания необходимой оптической мощности

 Оптические усилители широко применяются на протяженных линиях передачи данных с системами спектрального уплотнения DWDM.

Компенсатор хроматической дисперсии (Dispersion Compensation Module) предназначен для исправления формы оптических сигналов, передаваемых в оптическом волокне, которые, в свою очередь, искажаются под влиянием хроматической дисперсии.

Хроматическая дисперсия — физическое явление в оптическом волокне — световые сигналы с разными длинами волн проходят одно и то же расстояние за разный промежуток времени, в результате чего происходит уширение передаваемого оптического импульса. Хроматическая дисперсия является одним из основных факторов, ограничивающим протяженность ретрансляционного участка трассы. Стандартное волокно имеет значение хроматической дисперсии около 17 пс/нм. Для увеличения протяженности ретрансляционного участка на линии передачи устанавливаются компенсаторы хроматической дисперсии. Установка компенсаторов зачастую требует линии передачи со скоростью 10 Гбит/с и более.

Существуют два основных типа DCM:

1. Волокно, компенсирующее хроматическую дисперсию — DCF (Dispersion Compensation Fiber). Основной составляющей частью данных пассивных устройств является волокно с отрицательным значением хроматической дисперсии в диапазоне длин волн 1525-1565 нм.

Рисунок 8. Принципиальная схема DCM на решетке Брэгга

2. Компенсатор хроматической дисперсии на основе решетки Брэгга — DCM FBG (Dispersion Compensation Module Fiber Bragg Grating). Пассивное оптическое устройство, состоящее из чирпированного волокна и оптического циркулятора. Чирпированное волокно за счет структуры создает условно отрицательную хроматическую дисперсию входящих сигналов в диапазоне длин волн 1525-1600 нм. Оптический циркулятор в устройстве выполняет роль фильтрующего устройства, направляющего сигналы в соответствующие выводы.

Таким образом, стандартная схема состоит всего из двух типов активных компонентов — транспондер и усилитель, с помощью которых можно отслеживать текущий уровень мощности передаваемых сигналов.

В транспондерах реализована функция мониторинга состояния линейных портов — на основе встроенной в оптические трансиверы функции DDMI или с организацией собственного мониторинга. Использование данной функции позволяет оператору получать актуальную информацию о состоянии определенного канала связи.

Оптические усилители представляют собой усилители с обратной связью, в них всегда присутствует функция мониторинга входного группового сигнала (суммарная оптическая мощность всех входящих сигналов) или функция мониторинга исходящего группового сигнала. Данный мониторинг неудобен для контроля конкретных каналов связи и может быть использован в качестве оценочного (наличие или отсутствие «света»). Таким образом, единственным инструментом контроля оптической мощности в канале передачи данных является транспондер.

Системы уплотнения состоят не только из активных, но и из пассивных элементов, поэтому организация полноценного мониторинга в системах уплотнения весьма востребована и является нетривиальной задачей.

Варианты организации мониторинга в системах уплотнения WDM

В следствие естественных ограничений (особенности оборудования) вариантов организации мониторинга состояния пассивных элементов систем уплотнения WDM не так много. Одним из самых простых вариантов создания мониторинга пассивных мультиплексоров WDM является установка на линейные порты пассивных неравномерных делителей (Рис.9, обозначения «4» и «5»). Неравномерный делитель зачастую представляет собой пассивный оптический сплиттер сварного типа или биконический сплиттер. Включение в схему разветвителей необходимо для организации отвода тестовой оптической мощности. После разветвителя тестовый сигнал можно вывести через оптический порт в измерительное оборудование или завести на широкополосный фотоприемник (Рис.9, обозначения «6» и «7»).

Рисунок 9. Мультиплексор с пассивным мониторингом

Зачастую организуется только оптический порт для подключения измерительного оборудования, так как установка фотодиодов влечет за собой не только прорабатывание вопроса электропитания, но и разработку хоть и простейшей, но платы управления. А с учетом того, что широкополосный фотоприемник сможет детектировать только групповой уровень сигнала, пользы от данной информации мало, а значит и затраты бессмысленны. В роли подключаемого оборудования долгое время были или простейшие измерители оптической мощности (оценочный характер измерений, наличие или отсутствие «света», как и в случае встроенных фотодиодов) или дорогие спектроанализаторы, с помощью которых проводились прецизионные измерения не только мощностей оптических сигналов, но и качество спектров, передаваемых или фильтруемых сигналов системы в зависимости от места тестирования.

В начале 2000-х годов, когда размеры устройств оптического уплотнения стали миниатюризироваться, на рынке измерительного оборудования начали появляться WDM-измерители оптической мощности. Данные устройства в эксплуатации более просты, чем спектроанализаторы — размеры приборов и принцип измерений, как у обычных измерителей оптической мощности, но с возможностью проведения измерений каждой несущей в выбранном WDM-диапазоне. Все результаты измерений выводятся на ЖК-дисплей устройства и могут быть сохранены, измерение отводимых тестовых сигналов стало значительно проще.

Основным неудобством пассивного мониторинга является весьма малый оптический сигнал, который выделяется в тестовые отводы и создает две основные проблемы:

1. Конечное значение необходимо вычислять с учетом процентного деления ответвителя
2. Большая измерительная погрешность (связана все с той же малой выделяемой мощностью)

Следует отметить, что для проведения измерений необходимо иметь в арсенале хорошее измерительное оборудование и большой штат обслуживающего персонала, который не только умеет пользоваться данным оборудованием, но и весьма мобилен, так как у одного провайдера может быть не одна линия передачи, построенная по технологии WDM.

Главным плюсом пассивного мониторинга является простота и экономичность реализации (измерительное оборудование и квалифицированный штат обслуживающего персонала не учитывается).

На данный момент существует два решения активного мониторинга пассивных WDM-компонентов:

1. Мультиплексор со встроенной активной системой мониторинга
2. Перестраиваемый мультиплексор — ROADM (данный тип устройств достаточно сложен и имеет множество реализаций «в железе»)

Мультиплексор со встроенной активной системой мониторинга позволяет производить одновременный контроль уровней оптической мощности всех сигналов, поступающих в мультиплексор (с клиентской стороны и с линейной).

Рисунок 10. Мультиплексор с активным мониторингом 

Схема построения мультиплексора с активным блоком мониторинга во многом повторяет схему реализации простейшего пассивного мониторинга с использованием WDM-тестера оптических сигналов. Для отвода тестового сигнала используются ответвители с неравномерным делением (Рис.10, обозначение «3»). Далее тестовый сигнал попадает на оптический переключатель типа 2х1 (Рис.10, обозначение «5»), с помощью которого выбирается какой из двух тестовых сигналов уйдет на измеритель оптической мощности.

Измеритель оптической мощности состоит из Athermal AWG демультиплексора и ПЗС-матрицы, вклеенной в выходную фокусирующую пластину. Ниже приведена фотография аналогичного блока для CWDM-сигналов, в случае CWDM используются тонкопленочные фильтры и фотодиоды. Принцип работы подобного блока измерения оптической мощности довольно прост: измеряемый групповой сигнал подается на входной оптический порт, далее сигнал попадает на фокусирующую грин-линзу (см. «Устройство мультиплексоров/демультиплексоров CWDM»), которая фокусирует сигнал на первый оптический фильтр, далее системой зеркал с применением дополнительных скип-фильтров групповой сигнал разбивается на отдельные длины волн и принимается фотодетекторами. Информация с фотодетекторов передается на решающее устройство, а далее к клиенту в той или иной форме.

В измерителе, соответственно, происходит оптоэлектронное преобразование и на плату мониторинга поступает оперативная информация об уровне мощности каждого сигнала, далее эта информация передается программе-клиенту.

Можно исключить из схемы оптический переключатель, установив вместо него еще один измеритель, но данный шаг повлечет за собой увеличение себестоимости устройства в 1,5 раза.

С учетом вышеизложенных особенностей архитектуры построения (на блок измерения отводится достаточно малая величина сигнала ≤5 %) система контроля имеет измерительную погрешность ≤±0,8 дБ. Данная величина погрешности измерения рассчитана для демультиплексора (Рис.10, обозначение «2») и является максимальной, так как входящие сигналы весьма маломощные, средняя величина -18…-8 дБм (отводимая оптическая мощности на блок измерения -31…-21 дБ). В то время как для мультиплексора (Рис.10, обозначение «1») погрешность измерения будет составлять ≤±0,2 дБ, так как отводимая оптическая мощность равна -15…-12 дБ, что является нормальной величиной для измерительного оборудования ВОЛС.

Основным отличием и плюсом активной системы мониторинга является использование программы-клиента, которая позволяет удаленно получать оператору оперативную информацию, что значительно упрощает работу с системой уплотнения и не требует присутствия обслуживающего персонала в непосредственной близости от оборудования. Также следует отметить, что наличие функции мониторинга мультиплексора упрощает проведение инсталляции и не требует дополнительного измерительного оборудования в процессе установки и коммутации системы в целом.