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Ein Überblick zur DWDM-Technologie und DWDM-Systemkomponenten

Irving

Übersetzer*in Felix
9. April 2015

In der Telekommunikation werden in großem Umfang optische Techniken eingesetzt, bei denen die Trägerwelle zur klassischen optischen Umgebung gehört. Die Wellenmodulation ermöglicht die Übertragung von analogen oder digitalen Signalen bis zu einigen Gigahertz (GHz) oder Gigabit pro Sekunde (Gbps) auf einem Träger mit sehr hoher Frequenz, typischerweise 186 bis 196 THz. Tatsächlich kann die Bitrate weiter erhöht werden, indem mehrere Trägerwellen verwendet werden, die sich ohne nennenswerte Wechselwirkung auf einer einzigen Faser ausbreiten. Es ist offensichtlich, dass jede Frequenz einer anderen Wellenlänge entspricht. Dense Wavelength Division Multiplexing (DWDM) ist für sehr enge Frequenzabstände reserviert. Dieser Blog enthält eine Einführung in die DWDM-Technologie und DWDM-Systemkomponenten. Die Funktionsweise jeder Komponente wird einzeln besprochen. Die gesamte Struktur eines grundlegenden DWDM-Systems wird am Ende dieses Blogs gezeigt.

Vorstellung der DWDM-Technologie

Die DWDM-Technologie ist eine Erweiterung des optischen Netzwerks. DWDM-Geräte (Multiplexer oder kurz Mux) kombinieren den Ausgang von mehreren optischen Sendern zur Übertragung über eine einzige optische Faser. Auf der Empfangsseite trennt ein weiteres DWDM-Gerät (Demultiplexer, oder kurz Demux) die kombinierten optischen Signale und leitet jeden Kanal an einen optischen Empfänger weiter. Zwischen den DWDM-Geräten wird nur eine einzige optische Faser verwendet (pro Übertragungsrichtung). Anstatt eine einzige optische Faser pro Sender- und Empfängerpaar zu benötigen, können bei DWDM mehrere optische Kanäle ein einziges Glasfaserkabel belegen. Wie unten dargestellt, bietet FS DWDM Mux/Demux durch den Einsatz hochwertiger AAWG-Gauß-Technologie eine niedrige Einfügedämpfung (typisch 3,5 dB) und eine hohe Zuverlässigkeit. Durch die verbesserte Struktur können diese DWDM-Multiplexer und -Demultiplexer einfacher installiert werden.

Ein wesentlicher Vorteil von DWDM ist, dass es protokoll- und bitratenunabhängig ist. DWDM-basierte Netzwerke können Daten in IP, ATM, SONET, SDH und Ethernet übertragen. Daher können DWDM-basierte Netzwerke verschiedene Arten von Verkehr mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten über einen optischen Kanal übertragen. Sprachübertragung, E-Mail, Video- und Multimediadaten sind nur einige Beispiele für Dienste, die in DWDM-Systemen gleichzeitig übertragen werden können. DWDM-Systeme haben Kanäle mit Wellenlängen im Abstand von 0,4nm oder 0,8nm.

DWDM ist eine Art von Frequenz-Multiplexing (Frequency Division Multiplexing, FDM). Eine grundlegende Eigenschaft von Licht besagt, dass einzelne Lichtwellen unterschiedlicher Wellenlängen innerhalb eines Mediums unabhängig voneinander koexistieren können. Laser sind in der Lage, Lichtimpulse mit einer sehr präzisen Wellenlänge zu erzeugen. Jede einzelne Lichtwellenlänge kann einen anderen Informationskanal darstellen. Durch die Kombination von Lichtimpulsen unterschiedlicher Wellenlängen können viele Kanäle gleichzeitig über eine einzige Faser übertragen werden. Faseroptische Systeme verwenden Lichtsignale innerhalb des Infrarotbereichs (1mm bis 750nm Wellenlänge) des elektromagnetischen Spektrums. Frequenzen von Licht im optischen Bereich des elektromagnetischen Spektrums werden normalerweise durch ihre Wellenlänge identifiziert, obwohl die Frequenz (Abstand zwischen den Lambdas) eine spezifischere Identifizierung ermöglicht.

DWDM-Systemkomponenten

Ein DWDM-System besteht im Allgemeinen aus fünf Komponenten: Optische Transmitter/Receiver, DWDM Mux/DeMux-Filter, optische Add/Drop-Multiplexer (OADMs), optische Verstärker, Transponder (Wellenlängenkonverter).

Optische Transmitter/Receiver

Transmitter werden als DWDM-Komponenten bezeichnet, da sie die Quellsignale liefern, die dann gemultiplext werden. Die Eigenschaften von optischen Transmittern, die in DWDM-Systemen verwendet werden, sind für das Systemdesign von großer Bedeutung. In einem DWDM-System werden mehrere optische Transmitter als Lichtquellen verwendet. Eingehende elektrische Datenbits (0 oder 1) lösen die Modulation eines Lichtstroms aus (z.B. ein Lichtblitz = 1, die Abwesenheit von Licht = 0). Laser erzeugen Lichtimpulse. Jeder Lichtimpuls hat eine genaue Wellenlänge (Lambda), ausgedrückt in Nanometern (nm). In einem auf optischen Trägern basierenden System wird ein Strom digitaler Informationen an ein Gerät mit physikalischer Schicht gesendet, dessen Ausgang eine Lichtquelle (eine LED oder ein Laser) ist, die eine Schnittstelle zu einem Glasfaserkabel bildet. Dieses Gerät wandelt das eingehende digitale Signal von der elektrischen (Elektronen) in die optische (Photonen) Form um (elektrisch/optische Umwandlung, E-O). Elektrische Einsen und Nullen triggern eine Lichtquelle, die Licht (z.B. Licht = 1, wenig oder kein Licht = 0) in den Kern einer optischen Faser einstrahlt. Die E-O-Umwandlung ist nicht verkehrsrelevant. Das Format des zugrunde liegenden digitalen Signals bleibt unverändert. Lichtimpulse breiten sich durch Totalreflexion über die optische Faser aus. Auf der Empfangsseite detektiert ein weiterer optischer Sensor (Fotodiode) Lichtpulse und wandelt das eingehende optische Signal wieder in elektrische Form um. Ein Faserpaar verbindet normalerweise zwei beliebige Geräte (eine Sendefaser, eine Empfangsfaser).

DWDM-Systeme erfordern sehr präzise Lichtwellenlängen, um ohne Zwischenkanalverzerrung oder Übersprechen zu arbeiten. In der Regel werden mehrere einzelne Laser verwendet, um die einzelnen Kanäle eines DWDM-Systems zu erzeugen. Jeder Laser arbeitet bei einer leicht unterschiedlichen Wellenlänge. Moderne Systeme arbeiten mit 200GHz, 100GHz und 50GHz-Abständen. Neuere Systeme, die 25GHz-Abstände und 12,5GHz-Abstände unterstützen, werden derzeit untersucht. Im Allgemeinen sind heute auf dem Markt DWDM-Transceiver (DWDM SFP, DWDM SFP+, DWDM XFP usw.) zu finden, die bei 100GHz und 50GHz arbeiten.

DWDM Mux/DeMux-Filter

Mehrere Wellenlängen (alle im 1550-nm-Band), die von mehreren Sendern erzeugt werden und auf verschiedenen Fasern arbeiten, werden mit Hilfe eines optischen Filters (Mux-Filter) auf einer Faser kombiniert. Das Ausgangssignal eines optischen Multiplexers wird als zusammengesetztes Signal bezeichnet. Auf der Empfangsseite trennt ein optischer Drop-Filter (DeMux-Filter) alle Einzelwellenlängen des zusammengesetzten Signals auf einzelne Fasern heraus. Die einzelnen Fasern leiten die demultiplexten Wellenlängen an ebenso viele optische Empfänger weiter. Üblicherweise sind Mux- und Demux-Komponenten ( Sende- und Empfangskomponenten) in einem einzigen Gehäuse untergebracht. Optische Mux/DeMux-Geräte können passiv sein. Komponentensignale werden optisch, nicht elektronisch, gemultiplext und demultiplext, daher ist keine externe Stromquelle erforderlich. Die Abbildung unten zeigt den bidirektionalen DWDM-Betrieb. N Lichtimpulse mit N verschiedenen Wellenlängen, die von N verschiedenen Fasern übertragen werden, werden von einem DWDM-Mux kombiniert. Die N Signale werden auf ein Glasfaserpaar gemultiplext. Ein DWDM-Demux empfängt das zusammengesetzte Signal und trennt jedes der N Komponentensignale und leitet jedes an eine Faser weiter. Die gesendeten und empfangenen Signalpfeile stellen Geräte auf der Client-Seite dar. Dies erfordert die Verwendung eines Glasfaserpaares; eine für die Übertragung und eine für den Empfang.

Bi-Directional-DWDM-Operation

Optische Add/Drop-Multiplexer

Optische Add/Drop-Multiplexer (d.h. OADMs) haben im Vergleich zu Mux/Demux-Filtern eine andere Funktion des "Add/Drop". Hier ist eine Abbildung, die den Betrieb eines 1-Kanal-DWDM-OADMs zeigt. Dieser OADM ist so ausgelegt, dass nur optische Signale mit einer bestimmten Wellenlänge hinzugefügt oder entfernt werden. Von links nach rechts wird ein ankommendes zusammengesetztes Signal in zwei Komponenten aufgeteilt, Drop und Pass-Through. Der OADM verwirft nur den roten optischen Signalstrom. Der abgeworfene Signalstrom wird an den Empfänger eines Client-Geräts weitergeleitet. Die verbleibenden optischen Signale, die den OADM durchlaufen, werden mit einem neuen Add-Signalstrom gemultiplext. Die OADM fügt einen neuen roten optischen Signalstrom hinzu, der auf der gleichen Wellenlänge wie das abgefallene Signal arbeitet. Der neue optische Signalstrom wird mit den Durchgangssignalen kombiniert, um ein neues zusammengesetztes Signal zu bilden.

1-Channel-DWDM-OADM-Operation

OADM, die für den Betrieb bei DWDM-Wellenlängen ausgelegt sind, werden als DWDM OADM bezeichnet, während der Betrieb bei CWDM-Wellenlängen als CWDM OADM bezeichnet wird.

Optische Verstärker

Optische Verstärker verstärken Amplituden oder fügen den optischen Signalen, die auf einer Faser übertragen werden, eine Verstärkung hinzu, indem sie die Photonen des Signals direkt mit zusätzlicher Energie stimulieren. Sie sind "faserinterne" Vorrichtungen. Optische Verstärker verstärken optische Signale über einen breiten Bereich von Wellenlängen. Dies ist für die Anwendung von DWDM-Systemen sehr wichtig. Erbium-dotierte Faserverstärker (EDFAs) sind die am häufigsten verwendete Art von faserintegrierten optischen Verstärkern. Die in DWDM-Systemen verwendeten EDFAs werden manchmal als DWDM-EDFA bezeichnet, im Vergleich zu den in CATV- oder SDH-Systemen verwendeten. Um die Übertragungsdistanz Ihres DWDM-Systems zu verlängern, können Sie aus verschiedenen Arten von optischen Verstärkern wählen, darunter DWDM EDFA, CATV EDFA, SDH EDFA, EYDFA und Raman-Verstärker usw. Hier ist eine Abbildung, die den Betrieb eines DWDM EDFA zeigt.


O-E-O-Operation

Transponder (Wellenlängenkonverter)/OEO

Transponder wandeln optische Signale von einer eingehenden Wellenlänge in eine andere, für DWDM-Anwendungen geeignete, ausgehende Wellenlänge um. Transponder sind optisch-elektrisch-optische (O-E-O) Wellenlängenkonverter. Ein Transponder führt eine O-E-O-Operation durch, um Lichtwellenlängen umzuwandeln, weshalb einige Leute sie kurz "OEO" nannten. Innerhalb des DWDM-Systems wandelt ein Transponder das optische Signal des Kunden wieder in ein elektrisches Signal (O-E) um und führt dann entweder 2R (Reamplify, Reshape) oder 3R (Reamplify, Reshape und Retime) Funktionen aus. Die Abbildung unten zeigt den bidirektionalen Transponderbetrieb. Ein Transponder befindet sich zwischen einem Client-Gerät und einem DWDM-System. Von links nach rechts empfängt der Transponder einen optischen Bitstrom, der bei einer bestimmten Wellenlänge (1310nm) arbeitet. Der Transponder wandelt die Betriebswellenlänge des eingehenden Bitstroms in eine ITU-konforme Wellenlänge um. Er überträgt seinen Ausgang in ein DWDM-System. Auf der Empfangsseite (von rechts nach links) ist der Prozess umgekehrt. Der Transponder empfängt einen ITU-konformen Bitstrom und wandelt die Signale wieder in die vom Client-Gerät verwendete Wellenlänge um.

O-E-O-Operation

Transponder werden im Allgemeinen in WDM-Systemen (2,5 bis 40Gbps) verwendet, zu denen nicht nur DWDM-Systeme, sondern auch CWDM-Systeme gehören. Und WDM-Transponder (OEO-Konverter) können mit verschiedenen Modulanschlüssen ausgestattet sein (SFP zu SFP, SFP+ zu SFP+, XFP zu XFP usw.).

Wie DWDM-Systemkomponenten im Rahmen der DWDM-Technologie zusammenwirken

Ein DWDM-System setzt sich aus diesen fünf Komponenten zusammen. Aber wie arbeiten sie zusammen? Die folgenden Punkte geben die Antwort (auch die gesamte Struktur eines grundlegenden DWDM-Systems können Sie in der Abbildung unten sehen):

1. Der Transponder akzeptiert Eingaben in Form eines Standard-Singlemode- oder Multimode-Laserimpulses. Die Eingabe kann von verschiedenen physikalischen Medien und verschiedenen Protokollen und Verkehrsarten kommen.

2. Die Wellenlänge des Transponder-Eingangssignals wird auf eine DWDM-Wellenlänge abgebildet.

3. DWDM-Wellenlängen vom Transponder werden mit Signalen von der direkten Schnittstelle gemultiplext, um ein zusammengesetztes optisches Signal zu bilden, das in die Faser eingespeist wird.

4. Ein Nachverstärker (Booster-Verstärker) verstärkt die Stärke des optischen Signals, wenn es den Multiplexer verlässt.

5. Ein OADM wird an einem entfernten Standort verwendet, um Bitströme einer bestimmten Wellenlänge abzuwerfen und hinzuzufügen.

6. Je nach Bedarf können zusätzliche optische Verstärker entlang der Faserstrecke verwendet werden (Inline-Verstärker).

7. Ein Vorverstärker verstärkt das Signal, bevor es in den Demuliplexer gelangt.

8. Das eingehende Signal wird in einzelne DWDM-Wellenlängen demultiplext.

9. Die einzelnen DWDM-Lambdas werden entweder durch den Transponder auf den erforderlichen Ausgangstyp abgebildet oder direkt an die Geräte auf der Client-Seite weitergeleitet.

DWDM-System-Structure

Mit der DWDM-Technologie stellen DWDM-Systeme die Bandbreite für große Datenmengen zur Verfügung. Tatsächlich wächst die Kapazität von DWDM-Systemen mit dem Fortschritt von Technologien, die engere Abstände und damit eine höhere Anzahl von Wellenlängen ermöglichen. DWDM geht aber auch über den Transport hinaus und wird zur Grundlage einer volloptischen Vernetzung mit Wellenlängenbereitstellung und Mesh-basiertem Schutz. Das Switching auf der photonischen Ebene wird diese Entwicklung ermöglichen, ebenso wie die Routing-Protokolle, die es ermöglichen, dass Lichtwege das Netzwerk in ähnlicher Weise durchqueren können wie heute virtuelle Schaltkreise. Mit der Entwicklung der Technologien werden DWDM-Systeme möglicherweise fortschrittlichere Komponenten benötigen, um ihre Vorteile optimal nutzen zu können.

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