Una Panoramica della Tecnologia DWDM e dei Componenti del Sistema DWDM

Le telecomunicazioni fanno largo uso di tecniche ottiche in cui l'onda carrier appartiene al classico dominio ottico. La modulazione d'onda permette la trasmissione di segnali analogici o digitali fino ad alcuni gigahertz (GHz) o gigabit (Gbps) per secondo su un carrier di frequenza molto alta, tipicamente tre 186 e 196 THz. Il bit-rate può essere aumentato ulteriormente utilizzando diverse onde carrier che si propagano senza significativa interazione su una fibra singola. Ogni frequenza corrisponde ovviamente a una lunghezza d'onda differente. Il Dense Wavelength Division Multiplexing (DWDM) è riservato per una distanza di frequenza molto vicina. Questo post intende fornire un'introduzione alla tecnologia DWDM e ai componenti di sistema DWDM. La funzione di ogni componente è discussa in dettaglio individualmente e l'intera struttura di un sistema DWDM fondamentale è illustrata alla fine del post.

Introduzione alla tecnologia DWDM

La tecnologia DWDM è un'estensione della rete ottica. I dispositivi DWDM (multiplexer o Mux in breve) combinano l'output da diversi trasmettitori ottici per la trasmissione su una fibra ottica singola. Un altro dispositivo DWDM (demultiplexer o Demux) alla terminazione ricevente separa i segnali ottici combinati e passa ogni canale a un ricevitore ottico. Una sola fibra ottica è utilizzata trai dispositivi DWDM (tramite trasmissione diretta). Invece di richiedere una fibra ottica per trasmettitore e doppietto ricevente, DWDM permette a diversi canali ottici di occupare un singolo cavo ottico in fibra. Come illustrato di seguito, utilizzando tecnologia gaussiana AAWG di alta qualità, Mux/Demux DWDM FS fornisce bassa perdita d'inserzione (tipicamente 3.5dB) e alta affidabilità. Grazie a una struttura aggiornata questi multiplexer e demultiplexer DWDM possono offrire installazione più facile.

Un vantaggio chiave di DWDM è che è indipendente da protocollo e bit-rate. Le reti DWDM possono trasmettere dati in IP, ATM, SONET, SDH e Ethernet. Per questo motivo le reti DWDM possono trasportare diversi tipi di traffico a diverse velocità su un canale ottico. Trasmissione audio, email, video e dati multimedia sono solo alcuni esempi dei servizi che possono essere trasmessi simultaneamente nei sistemi DWDM. I sistemi DWDM hanno canali a lunghezze d'onda in un intervallo 0.4nm e 0.8nm.

DWDM è un tipo di Frequency Division Multiplexing (FDM). Una proprietà fondamentale della luce stabilisce che onde luminose individuali di diverse lunghezze d'onda possono coesistere indipendentemente all'interno di un mezzo. I laser sono capaci di creare impulsi luminosi con una lunghezza d'onda molto precisa. Ogni lunghezza d'onda individuale della luce può rappresentare un canale di informazione differente. Combinando impulsi luminosi di diverse lunghezze d'onda, molti canali possono eseguire trasmissione su una fibra unica simultaneamente. I sistemi ottici in fibra utilizzano segnali ottici all'interno della banda infrarossa (da 1mm fino a 750nm di lunghezza d'onda) dello spettro elettromagnetico. Le frequenze di luce nella gamma ottica dello spettro elettromagnetico sono normalmente identificate dalla lunghezza d'onda, sebbene la frequenza (la distanza tra le lambda) fornisce un'identificazione più specifica.

Componenti di sistema DWDM

Un sistema DWDM consiste generalmente di cinque componenti: trasmettitori/ricevitori ottici, filtri Mux/DeMux DWDM, Multiplexer Add/Drop ottici (OADM), amplificatori ottici, trasponder (convertitori di lunghezza d'onda).

Trasmettitori/ricevitori ottici

I trasmettitori sono descritti come componenti DWDM dato che forniscono segnali di sorgente multiplex. Le caratteristiche dei trasmettitori ottici utilizzati nei sistemi DWDM sono molto importanti per il design di sistema. Numerosi trasmettitori ottici sono utilizzati come sorgenti luminose in un sistema DWDM. I bit dei dati elettrici in ingresso (0 o 1) innescano la modulazione di un flusso luminoso (per esempio un lampo luminoso=1, assenza di luce=0). I laser creano un impulso luminoso; ogni impulso luminoso ha una lunghezza d'onda esatta (lambda) espressa in nanometri (nm). In un sistema carrier ottico un flusso di informazioni digitali è inviato a un dispositivo layer fisico, il cui output è una sorgente luminosa (un LED o un laser) che esegue interfaccia per um cavo ottico in fibra. Questo dispositivo converte il segnale digitale in entrata da forma elettrica (elettroni) a ottica (fotoni, conversione elettrico-ottico. E-O). Gli uni e gli zero elettrico innescano una sorgente luminosa che illumina (per esempio, luce = 1, poca o zero luce = 0) il nucleo della fibra ottica. La conversione E-O non influenza il traffico. Il formato del segnale digitale di base non è modificato. Gli impulsi luminosi si propagano sulla fibra ottica tramite riflessione interna totale. Alla terminazione di ricezione un altro sensore (fotodiode) rileva gli impulsi elettrici e converte il segnale ottico in ingresso di nuovo in forma elettrica. Un doppietto in fibra connette solitamente due dispositivi (una fibra trasmettente, una fibra ricevente).

I sistemi DWDM richiedono lunghezze d'onda di luce molto precise per operare senza distorsione intercanale o crosstalk. Molti laser singoli sono solitamente utilizzati per creare i canali individuali di un sistema DWDM. Ogni laser opera a una lunghezza d'onda leggermente differente. I sistemi moderni operano in intervalli di 200, 100 e 50-GHz. Sistemi più moderni supportanti intervalli di 25-GHz e 12.5 GHz sono in fase di ricerca. Transceiver DWDM (SFP DWDM, SFP+ DWDM, XFP DWDM, etc.) che operano a 100 e 50-GHz possono oggi essere trovati sul mercato.

Filtri Mux/Demux DWDM

Diverse lunghezze d'onda (tutte all'interno di 1550 nm di banda) create da diversi trasmettitori e operanti su fibre differenti sono combinate su una fibra singola per mezzo di un filtro ottico (filtro Mux). Il segnale output di un multiplexer ottico è chiamato segnale composito. Un filtro drop ottico (filtro DeMux) sulla terminazione ricevente separa tutte le lunghezze d'onda individuali del segnale composito sulle fibre singole. Le fibre singole passano le lunghezze d'onda demultiplex ad altrettanti ricevitori ottici. I componenti Mux e Demux (trasmissione e ricezione) sono tipicamente contenuti in un unico contenitore. I dispositivi Mux/Demux possono essere passivi; i segnali dei componenti sono multiplex e demultiplex otticamente, non elettronicamente, perciò non sono richieste sorgenti elettriche esterne. L'immagine di seguito rappresenta l'operazione DWDM bidirezionale. Gli impulsi elettrici N di differenti lunghezze d'onda N trasportate da differenti fibre N sono combinate da un Mux DWDM. I segnali N sono multiplexati su un doppietto di fibra ottica. Un Demux DWDM riceve il segnale composito e separa ognuno dei segnali dei componenti N e li passa a ogni fibra. Le frecce dei segnali trasmessi e ricevuti rappresentano l'attrezzatura client. Questo richiede l'utilizzo di un doppietto di fibra ottica; una per trasmettere, una per ricevere.

Multiplexer Add/Drop ottici

I multiplexer add/drop ottici (OADM) hanno una funzione diversa di "Add/Drop", in confronto ai filtri Mux/Demux. La figura di seguito illustra l'operazione di un OADM DWDM a 1-canale. Questo OADM è progettato per aggiungere (add) o scartare (drop) segnali con una specifica lunghezza d'onda. Da sinistra a destra, il segnale composito in ingresso è diviso in due componenti, drop e pass-through. L'OADM scarta solamente il flusso di segnale ottico rosso. Il flusso del segnale scartato è passato al ricevitore del dispositivo client. I segnali ottici rimanenti che passano attraverso l'OADM sono multiplexati con un nuovo canale di segnale add. L'OADM aggiunge un nuovo flusso di segnale ottico rosso che opera alla stessa lunghezza d'onda del segnale scartato. Il nuovo flusso di segnale ottico è combinato con segnali pass-through per formare un nuovo segnale composito.

Gli OADM progettati per operare a lunghezze d'onda DWDM sono chiamati OADM DWDM, mentre quelli operanti a lunghezze d'onda CWDM sono chiamati OADM CWDM. Entrambi possono essere reperiti oggi sul mercato.

Amplificatori ottici

Gli amplificatori ottici potenziano l'ampiezza o aggiungano gain ai segnali ottici passando su fibra stimolano direttamente i fotoni del segnale con energia extra. Sono dispositivi "in-fibra". Gli amplificatori ottici amplificano i segnali ottici su una vasta gamma di lunghezze d'onda. Questo è molto importante per applicazioni di sistema DWDM. Gli amplificatori in fibra erbium-doped (EDFAs) sono il tipo più comunemente utilizzato di amplificatori ottici in-fibra. Gli EDFA utilizzati in sistemi DWDM sono a volte chiamati EDFA DWDM, in confronto a quelli utilizzati in CATV o sistemi SDH. Per estendere la distanza di trasmissione del tuo sistema DWDM, può scegliere tra differenti tipi di amplificatori ottici, tra cui EDFA DWDM, EDFA CATV, EDFA SDH, EYDFA e Raman Amplifier etc. L'immagine di seguito illustra l'operazione di un EDFA DWDM.

Trasponder (convertitori di lunghezza d'onda)/OEO

lTrasponder convertono i segnali ottici da una lunghezza d'onda in ingresso a un'altra lunghezza in uscita adatta per applicazioni DWDM. I trasponder sono convertitori di lunghezza d'onda ottica-elettrica-ottica (OEO). Un trasponder esegue un'operazione O-E-O per convertire le lunghezze d'onda della luce, motivo per cui alcune persone li chiamano "OEO" in breve. All'interno di un sistema DWDM, un trasponder riconverte il segnale ottico cliente a un segnale elettrico (O-E) ed esegue o funzioni 2R (riamplificare, rimodellare) o 3R (riamplificare, rimodellare, ricronometare). L'immagine di seguito illustra l'operazione di un trasponder bidirezionale. Un trasponder WDM è posizionato tra un dispositivo client e un sistema DWDM. Da sinistra a destra, il trasponder riceve un flusso bit ottico operante a una particolare lunghezza d'onda (1310 nm). Il trasponder converte la lunghezza d'onda operante del flusso bit in ingresso a una lunghezza d'onda conforme a ITU. Trasmette il proprio output in un sistema DWDM. Sul lato di ricezione (destra a sinistra), il processo è invertito. Il trasponder riceve un flusso bit conforme a ITU e riconverte i segnali alla lunghezza d'onda utilizzata dal dispositivo client.

I trasponder sono generalmente utilizzati in sistemi WDM (da 2.5 a 40 Gbps), tra cui non solamente sistemi DWDM, ma anche sistemi CWDM. I transponder WDM (convertitori OEO) possono avere diversi moduli di porte (SFP to SFP, SFP+ to SFP+, XFP to XFP, etc.).

In quale modo i componenti di sistema lavorano assieme nella tecnologia DWDM

Dato che un sistema DWDM è composto da questi cinque componenti, come funzionano assieme? I seguenti punti cercano di dare una risposta (è possibile inoltre osservare l'intera struttura di un sistema DWDM nell'immagine di seguito):

1. Il transponder accetta l'input nella forma di un impulso laser standard monomodale o multimodale.

2. La lunghezza d'onda dell'input di segnale del transponder è mappata a una lunghezza d'onda DWDM.

3. Le lunghezze d'onda dal trasponder sono multiplexate tramite segnale dall'interfaccia diretta da un segnale ottico composito che è lanciato sulla fibra.

4. Un post-amplificatore (amplificatore booster) potenzia la forza del segnale ottica mentre lascia il multiplexer.

5. Un OADM è utilizzato nella location remota per scartare e aggiungere bit-stream di una lunghezza d'onda specifica.

6. Amplificatori ottici addizionali possono essere usati assieme alla fiber span (amplificatore in-linea se necessario.

7. Un pre-amplificatore potenzia il segnale prima che entri nel demultiplexer.

8. Il segale in ingresso è demultiplexato in lunghezze d'onda DWDM individuali.

9. Le lambda DWDM individuali sono mappate al tipo di output richiesto tramite il transponder o sono passate direttamente all'attrezzatura client.

Grazie alla tecnologia DWDM, i sistemi DWDM forniscono larghezza di banda per grandi quantità di dati. La capacità dei sistemi DWDM sta infatti crescendo di pari passo con gli avanzamenti tecnologici che permettono intervalli di spazio più stretti e, di conseguenza, un maggior numero di lunghezza d'onda. DWDM sta tuttavia muovendosi oltre il trasporto per diventare la base di tutte le funzioni di rete ottiche con provisioning di lunghezza d'onda e protezione mesh. Lo switching al layer fotonico consentirà questa evoluzione, così come i protocolli di routing che consentono ai percorsi di luce di attraversare la rete nella stessa maniera in cui i circuiti virtuali lo fanno oggi. Grazie allo sviluppo tecnologico, i sistemi DWDM potrebbero richiedere componenti più avanzati per addurre maggiori vantaggi.