CWDM: Un'alternativa economica per espandere la capacità di rete

Il cablaggio in fibra ottica è molto apprezzato nel mondo delle telecomunicazioni. Tuttavia, l'implementazione del cablaggio in fibra per ogni singolo servizio può essere proibitiva dal punto di vista dei costi, motivo per cui la tecnologia Wavelength Division Multiplexing (WDM) si è rivelata una soluzione ottimale: combina più segnali su un singolo filamento di fibra utilizzando diverse lunghezze d'onda (frequenze) della luce, ciascuna delle quali trasporta un diverso tipo di dati, consentendo un aggiornamento efficiente dal punto di vista dei costi della capacità della rete. WDM ha due varianti: Coarse WDM (CWDM) e Dense WDM (DWDM), tra cui CWDM è adeguata per le esigenze di reti enterprise e trasmissione metropolitana a breve distanza.

Tecnologia CWDM - Un'alternativa per aumentare la capacità di trasmissione

Il CWDM è stato standardizzato dall'ITU-T G.694.2 e si basa su una griglia o separazione di lunghezza d'onda di 20 nm nell'intervallo 1270-1610 nm. È in grado di trasportare fino a 18 lunghezze d'onda CWDM su una coppia di fibre. Ogni segnale è assegnato a una diversa lunghezza d'onda della luce. Ogni lunghezza d'onda non influisce su un'altra lunghezza d'onda, quindi i segnali non interferiscono. Ogni canale è generalmente trasparente alla velocità e al tipo di dati, per cui qualsiasi combinazione di servizi SAN, WAN, voce e video può essere trasportata simultaneamente su una singola fibra o coppia di fibre.

Figura 1: Sistema CWDM

Il CWDM è una soluzione economicamente vantaggiosa per aumentare la capacità della rete di accesso. Può soddisfare le richieste di crescita del traffico senza sovraccaricare l'infrastruttura. Ad esempio, un tipico sistema CWDM a 8 canali offre una larghezza di banda 8 volte superiore a quella ottenibile con un sistema SONET/SDH a parità di velocità della linea di trasmissione e con le stesse fibre ottiche. Si tratta di un'alternativa perfetta per i carrier che desiderano aumentare la capacità della rete ottica installata senza sostituire le apparecchiature esistenti con apparecchiature di trasmissione a velocità di bit superiore e senza installare nuove fibre.

Un componente fondamentale della rete CWDM: CWDM Mux Demux

Un Mux è comunemente noto come un multiplexer che combina più canali di lunghezza d'onda su una singola fibra, mentre un Demux li separa nuovamente all'altra estremità. Una configurazione Mux/Demux è particolarmente utile per aumentare la capacità end-to-end di una fibra distribuita. Il Mux si trova tipicamente nell'ufficio centrale, mentre l'unità Demux si trova in un armadio o in una chiusura di giunzione da cui le fibre vanno a destinazione in una topologia a stella.

Figura 2: CWDM Mux Demux

Mux CWDM a Doppia Fibra Demux

Il Mux Demux CWDM a doppia fibra è un dispositivo passivo di multiplazione e demultiplazione delle lunghezze d'onda per l'espansione della capacità di rete, dovendo funzionare in coppia per la trasmissione bidirezionale su doppia fibra. Consente fino a 18 canali per la trasmissione e la ricezione di 18 tipi di segnali, con lunghezze d'onda da 1270 nm a 1610 nm. Il transceiver CWDM inserito nella porta Mux della fibra ottica deve avere la stessa lunghezza d'onda della porta Mux per completare la trasmissione del segnale.

Figura 3: Mux CWDM a doppia fibra demux

Mux CWDM a fibra singola demux

I Mux Demux CWDM a fibra singola devono essere utilizzati anche in coppia. Uno di questi multiplexa i diversi segnali e li trasmette insieme attraverso una singola fibra, mentre un altro sul lato opposto della fibra demultiplexa i segnali integrati. Considerando che il Mux Demux CWDM a fibra singola trasmette e riceve i segnali integrati attraverso la stessa fibra, le lunghezze d'onda per RX e TX della stessa porta sul Mux Demux CWDM a fibra singola devono essere diverse. Il principio di funzionamento del Mux Demux CWDM a fibra singola è più complicato rispetto a quello a doppia fibra.

Come mostrato nella figura sottostante, la trasmissione da sinistra a destra utilizza 1470 nm, 1510 nm, 1550 nm e 1590 nm per multiplexare i segnali, trasmetterli attraverso la singola fibra e utilizzare le stesse quattro lunghezze d'onda per demultiplexare i segnali, mentre la trasmissione opposta trasporta segnali con 1490 nm, 1530 nm, 1570 nm e 1610 nm sulla stessa fibra. Per quanto riguarda la lunghezza d'onda del transceiver, deve utilizzare la stessa lunghezza d'onda del TX della porta sul Mux Demux CWDM. Ad esempio, se la porta di un Mux Demux CWDM a fibra singola ha una lunghezza d'onda di 1470 nm per il TX e di 1490 nm per l'RX, è necessario utilizzare un transceiver CWDM da 1470 nm per il TX e un transceiver CWDM da 1490 nm per l'RX.

Figura 4: Mux CWDM a fibra singola Demux

Applicazioni CWDM

Il CWDM viene applicato principalmente in due grandi aree: le reti metropolitane e di accesso, svolgendo due funzioni: una è quella di utilizzare ciascun canale ottico per trasportare un segnale di ingresso distinto a una velocità individuale, un'altra è quella di utilizzare il CWDM per scomporre un segnale ad alta velocità in componenti più lenti che possono essere trasmessi in modo più economico, come nel caso di alcuni transceiver 10G.

CWDM nella rete di area metropolitana (MAN)

Per rete metropolitana (MAN) si intende la rete che copre la città e la sua periferia, fornendo una piattaforma di trasmissione integrata per le aree metropolitane. Le reti CWDM consentono di fornire servizi a lunghezza d'onda su un'ampia area metropolitana, con i vantaggi funzionali ed economici della connettività a maglia logica completa, del riutilizzo della lunghezza d'onda e della bassa latenza end-to-end. Queste caratteristiche sono applicabili ai segmenti Inter-Office (CO-CO) e Fiber to the Building (FTTB) della rete metropolitana. I vantaggi della bassa latenza del CWDM sono particolarmente interessanti nelle applicazioni SAN basate su ESCON e FICON/Fibre Channel. I vantaggi in termini di spazio, potenza e costi del CWDM ne consentono l'impiego anche nei segmenti Outside Plant (OSP) o Remote Terminal (RT) del mercato metropolitano.

Figura 5: CWDM nella rete metropolitana

CWDM in LAN e SAN

Il CWDM ha un'ampia topologia di rete, come point-to-point, anello, rete, ecc. La rete ad anello è in grado di fornire una protezione di autoguarigione: lo stile di ripristino comprende la protezione dalla rottura dei collegamenti e la separazione dei guasti dei nodi. Gli anelli CWDM e i collegamenti point-to-point sono adatti per interconnettere LAN (local area network) e SAN (storage area network) geograficamente disperse. Le aziende possono trarre vantaggio dal CWDM integrando più collegamenti Gigabit Ethernet, 10 Gigabit Ethernet e Fibre Channel su un'unica fibra ottica per applicazioni point-to-point o per applicazioni ad anello.

CWDM integrato nell'Ethernet 10 Gigabit

Grazie ai vantaggi offerti dai bassi costi di implementazione, dalla robustezza e dalla semplicità di installazione e manutenzione, Ethernet è stata utilizzato in modo intensivo nei sistemi di metropolitana/accesso. Con l'aumento della larghezza di banda, è stata proposta una velocità di trasmissione dati più elevata, Ethernet 10 Gigabit. L'integrazione di Ethernet con CWDM è uno dei migliori metodi di implementazione. Uno degli standard 10 Gigabit Ethernet dell'IEEE 802.3ae prevede una soluzione CWDM a quattro canali e 1300 nm. Tuttavia, se il CWDM fosse basato su 10 canali da 1 Gbps, verrebbero utilizzati 200 nm dello spettro di lunghezza d'onda. Rispetto al TDM (transmission time division multiplexing), la tecnologia CWDM 10G può avere un costo iniziale più elevato, ma può offrire una migliore scalabilità e flessibilità rispetto al TDM.

CWDM in PON (Passive Optical Network)

PON è una rete ottica point-too-multipoint che utilizza la fibra esistente. È il modo più economico per fornire larghezza di banda fino all'ultimo chilometro. I risparmi sui costi derivano dall'utilizzo di dispositivi passivi sotto forma di accoppiatori e splitter, piuttosto che di elettronica attiva più costosa. Il PON espande il numero di endpoint e aumenta la capacità della fibra. Ma il PON è limitato nella quantità di larghezza di banda che può supportare. Poiché il CWDM può moltiplicare le larghezze di banda in modo economicamente vantaggioso, quando le combina insieme, ogni lambda aggiuntiva diventa una connessione virtuale point-too-point da un ufficio centrale a un utente finale. Se un utente finale nell'implementazione PON originale cresce al punto da aver bisogno di una propria fibra, l'aggiunta di CWDM alla fibra PON crea una fibra virtuale per quell'utente. Una volta che il traffico è passato alla lambda assegnata, la larghezza di banda sottratta al PON è ora disponibile per altri utenti finali. In questo modo il sistema di accesso può massimizzare l'efficienza della fibra.

Figura 6: CWDM in PON

CWDM e DWDM

Spaziatura della lunghezza d'Onda

Il CWDM è in grado di trasportare fino a 16 lunghezze d'onda con una spaziatura tra i canali di 20 nm nella griglia dello spettro da 1270 nm a 1610 nm. Mentre il DWDM può trasportare 40, 80 o fino a 160 lunghezze d'onda con una spaziatura più stretta di 0,8 nm, 0,4 nm o 0,2 nm dalle lunghezze d'onda da 1525 nm a 1565 nm (banda C) o da 1570 nm a 1610 nm (banda L).

Figura 7: Griglia di lunghezze d'onda CWDM

Distanza di trasmissione

Il sistema di multiplazione DWDM è in grado di avere una trasmissione a lungo raggio mantenendo le lunghezze d'onda strettamente impacchettate. È in grado di trasmettere più dati su un tratto di cavo più ampio con meno interferenze rispetto al sistema CWDM. Il sistema CWDM non può trasmettere dati su lunghe distanze perché le lunghezze d'onda non sono amplificate. In genere, il sistema CWDM può trasmettere dati fino a 160 km.

Laser a modulazione

Il sistema CWDM utilizza il laser non raffreddato, mentre il sistema DWDM utilizza il laser raffreddato. Il raffreddamento laser si riferisce a una serie di tecniche in cui campioni atomici e molecolari vengono raffreddati fino a raggiungere lo zero assoluto attraverso l'interazione con uno o più campi laser. Il laser di raffreddamento adotta una regolazione della temperatura che garantisce migliori prestazioni, maggiore sicurezza e una maggiore durata del sistema DWDM. Ma consuma anche più energia rispetto al laser non raffreddato a regolazione elettronica utilizzato dal sistema CWDM.

Prezzo

Il prezzo del DWDM è in genere quattro o cinque volte superiore a quello delle controparti CWDM. Il costo più elevato del DWDM è attribuito a fattori legati ai laser. La tolleranza della lunghezza d'onda di produzione di un die laser DWDM rispetto a un die CWDM è un fattore chiave. Le tolleranze tipiche delle lunghezze d'onda dei laser DWDM sono dell'ordine di ±0,1 nm, mentre quelle dei laser CWDM sono di ±2-3 nm. La minore resa degli stampi fa aumentare i costi dei laser DWDM rispetto a quelli CWDM. Inoltre, il confezionamento della matrice del laser DWDM per la stabilizzazione della temperatura con un raffreddatore Peltier e un termistore in un pacchetto a farfalla è più costoso rispetto al confezionamento del laser coassiale CWDM non raffreddato.

Figura 8: Confronto dei Costi delle Tecnologie CWDM e DWDM

Il CWDM offre prezzi più bassi rispetto al DWDM ed è quindi estremamente adatto a molte applicazioni aziendali e di accesso sensibili ai costi. Inoltre, il CWDM è molto semplice in termini di progettazione, implementazione e funzionamento della rete. Il CWDM funziona con pochi parametri che devono essere ottimizzati dall'utente, mentre i sistemi DWDM richiedono complessi calcoli di bilanciamento della potenza per canale, che si complicano ulteriormente quando i canali vengono aggiunti e rimossi o quando vengono utilizzati in reti DWDM ad anello, soprattutto quando i sistemi incorporano amplificatori ottici. La tabella seguente mostra il confronto tra CWDM e DWDM:

Il futuro della tecnologia WDM

Secondo Dell'Oro Group, il fatturato del mercato dei multiplexer a divisione di lunghezza d'onda (WDM) dovrebbe raggiungere i 14 miliardi di dollari entro il 2021, spinto dalla domanda di lunghezze d'onda coerenti da oltre 100 Gbps. Gli acquisti diretti delle aziende per l'interconnessione dei centri dati (DCI) influenzeranno profondamente il mercato WDM. Si prevede che il DCI che utilizza apparecchiature WDM sarà un mercato da 2,4 miliardi di dollari entro il 2021. Da queste statistiche, le apparecchiature WDM avranno un buon mercato nel prossimo futuro. Più recentemente, due nuove rivoluzioni paradigmatiche si sono fatte strada nel mercato delle comunicazioni ottiche: ROADM (Reconfigurable Optical Add-Drop Multiplexing) e sistemi ottici coerenti. Se da un lato queste tecnologie ottiche sono le soluzioni perfette per soddisfare la crescente domanda di larghezza di banda, dall'altro consentono di ridurre radicalmente i costi nel mercato della trasmissione delle informazioni.

Conclusioni

Il CWDM è una soluzione interessante per i carrier che devono aggiornare le proprie reti per soddisfare le esigenze di traffico attuali o future, riducendo al minimo l'uso di preziosi fili di fibra. La capacità del CWDM di ospitare Ethernet su una singola fibra consente di realizzare reti di circuiti convergenti ai margini e nei siti di accesso ad alta richiesta. Con la continua crescita della domanda di traffico, la popolarità del CWDM presso i carrier nelle reti di accesso e metropolitane sarà simile a quella del DWDM nelle reti a lungo e lunghissimo raggio. Nel prossimo futuro, il CWDM continuerà ad evolversi in applicazioni specializzate. Attualmente si stanno sviluppando router o switch ottici e di trasporto combinati. Le schede CWDM aggiuntive vengono incluse in un maggior numero di dispositivi di trasporto come opzioni a basso costo. I fornitori continuano a ridurre i costi e ad aumentare la capacità.