ПРИМЕНЕНИЕ ТЕХНОЛОГИИ DWDM ДЛЯ УПЛОТНЕНИЯ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ ЛИНИЙ КАК ОДИН ИЗ НАИБОЛЕЕ ЭФФЕКТИВНЫХ СПОСОБОВ УВЕЛИЧЕНИЯ ПРОПУСКНОЙ СПОСОБНОСТИ СУЩЕСТВУЮЩИХ СЕТЕЙ

THE USE OF DWDM TECHNOLOGY TO SEAL FIBER-OPTIC LINES AS ONE OF THE MOST EFFECTIVE WAYS TO INCREASE THE CAPACITY OF EXISTING NETWORKS

Ekaterina Goryunova,

master's student, Center for Distance Learning in Master's Degree Programs, Moscow Technical Institute of Communications and Informatics,

Russia, Moscow

АННОТАЦИЯ

Данная статья погружает читателей в мир технологии DWDM, активно завоевывающей популярность благодаря своей способности оптимизировать использование оптических каналов. DWDM или Dense Wavelength Division Multiplexing представляет собой метод, который позволяет передавать данные сразу по нескольким длинам волн. Это достигается благодаря размещению до 160 различных окон в одном оптическом волокне. В результате, телекома структура, построенная на DWDM, становится более эффективной и емкой, так как обеспечивает многоканальную передачу с разнообразными протоколами и скоростями.  Данная методология приобрела особое значение для операторов связи, управляющих большими оптоволоконными сетями. С ростом числа пользователей и увеличением объема передаваемой информации проблемы управления и оптимизации трафика становятся всё более актуальными. Статья также затрагивает качественные изменения в области оптических мультиплексоров и их функциональных характеристик, включая такие новые разработки, как безцветные и всенаправленные ROADM.  Эти современные решения делают возможным отказ от устаревших схем резервирования потоков, что значительно улучшает гибкость и надежность сети. В случае нестандартных ситуаций такие технологии способны быстро перенаправлять трафик по свободным каналам, что помогает избежать сбоев в обслуживании и оптимизировать использование существующих ресурсов сети.

ABSTRACT

This article immerses readers in the world of DWDM technology, which is actively gaining popularity due to its ability to optimize the use of optical channels. DWDM or Dense Wavelength Division Multiplexing is a method that allows data to be transmitted over multiple wavelengths at once. This is achieved by placing up to 160 different windows in a single optical fiber. As a result, the telecom structure based on DWDM becomes more efficient and capacious, as it provides multi-channel transmission with a variety of protocols and speeds.  This methodology has gained particular importance for telecom operators managing large fiber-optic networks. With an increasing number of users and an increase in the volume of information transmitted, the problems of traffic management and optimization are becoming more and more urgent. The article also touches on qualitative changes in the field of optical multiplexers and their functional characteristics, including new developments such as colorless and omnidirectional ROADM.  These modern solutions make it possible to abandon outdated flow redundancy schemes, which significantly improves the flexibility and reliability of the network. In case of non-standard situations, such technologies are able to quickly redirect traffic through free channels, which helps to avoid service failures and optimize the use of existing network resources.

Ключевые слова: DWDM-технология, оптические каналы, транспортные сети, мультиплексоры, уплотнение, длины волн, узлы.

Keywords: DWDM technology, optical channels, transport networks, multiplexers, sealing, wavelengths, nodes

Введение

На сегодняшний день оптические системы становятся все более востребованными. Это связано с прогрессом новых технологий, таких как мультиплексирование с плотностью длин волн (DWDM). Данная технология многократно увеличивает пропускную способность волокна, позволяя передавать данные на нескольких различных длинах волн через одно оптическое волокно, что открывает новые возможности для индивидуальных пользователей и корпоративных клиентов. Каждый отдельный поток информации получает свою длину волны, благодаря чему передачи становятся независимыми и более эффективными, чем в традиционных системах, где для каждой передачи требуется отдельная линия [1]. В отличие от традиционных методов, где каждая передача требовала своего волокна, DWDM позволяет одновременно передавать данные через одну и ту же волокнистую пару, что значительно улучшает производительность и снижает затраты на инфраструктуру [2–4].

1. DWDM – технология

Установленные международные стандарты ITU-T G.694.1 определяют диапазоны C (1525-1565 нм) и L (1570-1610 нм) как оптимальные для DWDM, что делает возможной независимую передачу до 80 различных сигналов на расстоянии 0,8 нм. Это значительно повышает общую эффективность передачи данных и минимизирует затухание сигнала на больших расстояниях. При этом используются транспондеры, которые приводят сигналы в соответствие с определенными стандартами, а мультиплексоры объединяют их для передачи по оптике [5]. На уровне приемного устройства работает демультиплексор (demux), который разделяет объединенные потоки. Важно учитывать, что во время передачи сигналы ослабляются, и для компенсации этого ослабления необходимы специальные усилители, рисунок 1.

Рисунок 1. Компоненты DWDM – системы

Тем не менее, DWDM-системы сталкиваются с определенными проблемами, например, связанными с узловыми устройствами Add/Drop, которые более сложны по сравнению с традиционными решениями TDM. Так, для узлов OADM требуется предварительная обработка сигналов, что может увеличить временные задержки и усложнить подключение новых длин волн. Однако ROADM (Reconfigurable Optical Add/Drop Multiplexer) предложил новую эру для решения этих проблем, обеспечивая централизованное управление потоками сигналов, что делает процесс более простым и быстрым [6–8]. По результатам исследований, интеграция ROADM в DWDM-системы значительно улучшает операционные процессы и снижает стоимость обслуживания сетевой инфраструктуры.

2. ROADM – узлы

Реконфигурируемые оптические мультиплексоры ввода-вывода (ROADM) представляют собой современное решение для динамической маршрутизации оптических волн без необходимости физического вмешательства. До их появления добавление или удаление волн требовало локальной конфигурации и отсутствия на месте инженера, что было неэффективно и времязатратно.

Коммутационная матрица ROADM базируется на устройствах селективной коммутации волн (Wavelength Selective Switch, WSS), рисунок 2. Каждое WSS связано с выходными магистральными портами ROADM или с банками транспондеров. Исходный «цветной» сигнал, содержащий все сигналы DWDM, подается на WSS через оптический разветвитель мощности (Power Splitter, PS) с входного порта или банка [9].

Основная роль WSS заключается в расщеплении поступающих сигналов на составляющие волны, выбору нужных волн и их маршрутизации к соответствующим выходным портам. Эти коммутаторы могут реализовываться с использованием технологий MEMS, жидких кристаллов или других механизмов для фотонной коммутации.

Рисунок 2. Схема ROADM – узла

Анализ сигнала, проходящего через специальные фильтры, приводит к созданию единого композитного сигнала, который поступает в ключевые компоненты сети. На каждом узле типа ROADM происходит обработка сигнала, что обеспечивается высоким уровнем проводимости и легкостью выполнения операций. Эти узлы позволяют воспринимать новые услуги с минимальными затратами труда во время их настройки и тестирования, что, в свою очередь, улучшает управление потоками данных. Благодаря этим особенностям ROADM-узлы обеспечивают быструю, адаптивную и прозрачную работу сетевых услуг.

3. Multi-Degree ROADM - узлы

Современное поколение ROADM – узлов, называемое Multi-Degree ROADM, значительно расширяет возможности сетевой инфраструктуры, рисунок 3. Multi-Degree ROADM характеризуются высокой адаптивностью и поддерживают различные топологии, включая линейные и кольцевые. Они могут одновременно обрабатывать до восьми потоков, что особенно актуально для городских районов с высокой плотностью населения и потребностью в высокой пропускной способности. Возможность обработки множества потоков позволяет сократить количество необходимых ROADM-узлов и специализированных терминалов, что упрощает маршрутизацию трафика и снижает эксплуатационные расходы сети.

Рисунок 3. Схема Multi-Degree ROADM – узла

Совсем недавно многофункциональные оптические узлы Multi-Degree ROADM стали незаменимым инструментом в области оптоволоконных технологий. Они эффективно объединяют мультиплексированные полосы и упрощают сетевую маршрутизацию. Эти узлы обеспечивают гибкое подключение оптических модулей, что позволяет организовывать потоки данных в разных направлениях. Использование таких узлов помогает уменьшить затраты на оборудование на 30% и значительно ускоряет настройку клиентских подключений, что особенно полезно при необходимости быстрой переадресации трафика. В отличие от традиционной DWDM-технологии, Multi-Degree ROADM позволяет избежать сложных манипуляций с DWDM-сигналами, что делает их ключевыми компонентами в проектировании экономически эффективных и высокоскоростных оптических сетей.

4. Преимущества и применение ROADM – узлов

ROADM (или повторно-конфигурируемый оптический мультиплексор с добавлением-выделением) — это передовая технология, позволяющая гибко управлять оптическим трафиком в сети. Основное преимущество ROADM состоит в том, что она оптимизирует распределение трафика и перераспределяет потоки данных, что приводит к более эффективному использованию доступных ресурсов. За счет создания мультиплексоров, работающих на базе международных стандартов ITU-T, ROADM поддерживает разнообразные длины волн, что делает её идеальным решением для современных оптических сетей. В отличие от традиционных подходов, где параметры установки фиксированы, ROADM обеспечивает динамическую настройку, позволяя автоматически подключать или отключать оптические сигналы. Это не только облегчает управление сетью, но и позволяет быстро реагировать на увеличение объёмов передаваемых данных. В результате ROADM повышает надёжность и простоту эксплуатации сетей, что является важным шагом в развитии технологий связи. Применение ROADM делает сети более гибкими и адаптивными к изменениям в трафике, что существенно упрощает их управление и обслуживание [11].

Существуют различные архитектуры ROADM. Цветные ROADM поддерживают фиксированное количество каналов, каждый из которых представляет собой определенную длину волны. Такие устройства удобны для работы с заранее определенными длинами волн и позволяют эффективно управлять трафиком, но не так гибки в отношении масштабирования. Бесцветные же ROADM более универсальны, так как они могут работать с любыми длинами волн. Это позволяет динамически добавлять или удалять каналы в зависимости от нагрузки и требований сети. Таким образом, выбор между цветными и бесцветными ROADM зависит от специфики применения и требований сети.

Ранее в традиционных системах передачи данных, использующих фиксированные длины волн, возникали трудности при необходимости изменения длины волны. Операторам приходилось вручную настраивать мультиплексоры, что вызывало увеличенные простои. Система ROADM облегчила этот процесс: теперь транспондеры могут автоматически подстраиваться под необходимую длину волны DWDM, исключая необходимость ручной настройки. Это значительно сокращает время работы операторов и уменьшает риск ошибок при переключениях. Описывая ROADM, можно сказать, что это универсальный инструмент, обеспечивающий установку фиксированных длин волн и мультиплексоров без физического вмешательства. Идеально для всех этих задач подходит всенаправленный ROADM, рисунок 4. Он предоставляет возможность не только динамически добавлять или извлекать определенные волны из целевой сети, но и перенаправлять сигналы без каких-либо ограничений в любом направлении оптической сети. Это позволяет операторам сосредоточиться на более важных задачах, освобождая их от рутинных операций. Таким образом, современные системы передачи данных становятся более надежными и эффективными, что в конечном итоге приводит к улучшению общих показателей производительности в этой сфере.

Рисунок 4. Схема всенаправленного ROADM – узла

Современные оптические сети сегодня активно используют мультиплексирование и демультиплексирование, чтобы передавать сигналы по одному оптическому каналу, используя различные длины волн. Это позволяет оптимизировать управление трафиком. Изначально узлы ROADM имели ограниченные функции, работая по принципу «точка-точка». Однако прогресс в технологиях и концепция всенаправленного и бесцветного ROADM значительно изменили ситуацию. Теперь узлы ROADM способны динамически перенастраивать маршруты, используя независимые мультиплексоры и 1xN коммутаторы. Это повысило гибкость и эффективность работы сетей. Важным элементом в этой системе являются линейные Nx1 коммутаторы, которые отвечают за коммутацию между мультиплексорами и демультиплексорами, обеспечивая передачу сигналов без потерь. В результате, они становятся более устойчивыми к авариям, что невозможно было бы без внедрения механизмов, позволяющих модернизировать существующие системы ROADM. Это в свою очередь избавляет от необходимости полной замены оборудования, что значительно упрощает процесс обновления сетевой инфраструктуры.  Сегодняшние ROADM являются ключевыми компонентами в создании надежных и эффективных оптических сетей, особенно в свете растущих потребностей в высококачественной передаче данных.

Заключение

В статье рассматривались технология мультиплексирования с плотным спектральным разделением (DWDM) и системы маршрутизации с использованием гибридных технологий (ROADM). Технология DWDM, в свою очередь, расширяет возможности передачи данных, позволяя передавать до 160 независимых потоков информации по одному оптическому волокну. Каждому потоку соответствует своя длина волны, что значительно увеличивает общую пропускную способность системы. Далее рассматривались мультиплексоры ROADM, их компоненты и преимущества. Описаны концепции бесцветного и всенаправленного ROADM, которые устраняют необходимость постоянного резервирования длинны волны и могут динамически перенаправлять потоки данных без необходимости в постоянных резервных ресурсах. При этом, в случае обрыва связи, сервисы автоматически перенаправляются через доступные волны в другом направлении. Таким образом, внедрение технологии DWDM c ROADM становится неотъемлемой частью стратегии оптимизации работы телекоммуникационных компаний. В результате гибкие технологии маршрутизации и системы DWDM становятся важными инструментами для достижения успеха в условиях динамичного роста трафика и изменения потребностей пользователей.

Список литературы:

1. Дмитриев С.А., Слепов Н.Н. Волоконно-оптическая техника: современное состояние и перспективы. М., 2005. 576 с.
2. Иоргачев Д.В., Бондаренко О.В. Волоконно-оптические кабели и линии связи. М.: Эко-Трендз, 2002. 276 с.
3. Шмалько А.В. Планирование и построение современных цифровых корпоративных сетей связи // Вестн. связи. 2011. № 34. С. 58-65.
4. Андреев В.А., Бурдин В.А., Попов В.В. Строительство и техническая эксплуатация волоконно-оптических линий связи. М.: Радио и связь, 1995. 348 c.
5. DWDM-технология уплотнения оптических каналов. URL: http://shop.nag.ru/catalog/ article/id/19/catalog_id/71 (дата обращения: 12.12.2018).
6. Слепов Н.Н. Современные технологии цифровых оптоволоконных сетей связи. М.: Радио и связь, 2000. 468 с.
7. Алексеев Е.Б., Скляров О.К., Устинов С.А. Оптические сети операторов связи DWDM и CWDM в России // Технологии и средства связи. 2004. № 2. С. 21-24.
8. Лисецкий Ю.М. Построение оптической транспортной магистрали оператора связи // Программные продукты и системы. 2010. № 4. С. 142-144.
9. Олифер В., Олифер Н. Компьютерные сети. Принципы, технологии, протоколы. 5-е изд. Спб: Питер, 2018. С. 263-288.
10. Ульянов А.В. Мультиплексоры сетей OTN/DWDM // Информационные технологии и телекоммуникации. 2016. Т. 4. № 3. С. 85-94.
11. Листвин В.Н., Трещиков В.Н. DWDM-системы. М.: ТЕХНОСФЕРА, 2017. 352 с.