WDM: новые горизонты оптоволокна

С помощью технологии под названием "мультиплексирование по длине волны" более высокую пропускную способность можно получить за те же деньги и без прокладки дополнительного кабеля.

КАК ОПТИМИЗИРОВАТЬ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ?
Из тени в свет

ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ИНФОРМАЦИЯ

НОВАТОР В МИРЕ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИЙ ДЕЛАЕТ СТАВКУ НА WDM
Sprint видит свет

Все началось полмиллиона лет назад (плюс-минус десяток лет), когда первобытный человек ударил кремнем о кремень и высек огонь. С тех пор человечество испытывает непреодолимое влечение к свету. В наши дни многие хирурги променяли свои скальпели на лазеры, а ученые обнаружили, что интенсивность света влияет на настроение человека. Но в те времена, когда такие первооткрыватели, как Томас Эдисон, пытались приручить свет, никто себе не мог представить, что мы будем использовать свет не только для освещения, но и для общения.

ЧТО ТАКОЕ WDM?

Традиционные волоконно-оптические технологии передают данные в виде световых импульсов. Импульсы света представляют биты: нули и единицы. Электрические сигналы преобразуются в оптические, передаются по световоду и преобразуются обратно в электрические сигналы получателем.

При подходе под названием мультиплексирование по длине волны (Wavelength Division Multiplexing, WDM) свет с разными длинами волн от нескольких лазеров передается по одному световоду. WDM работает следующим образом. Источники данных посылают эти волны света мультиплексору, а он уплотняет их для передачи по одной линии. WDM разбивает оптический спектр на каналы, каждый с различной длиной волны.

Оптические усилители, обычно находящиеся на расстоянии десятков километров друг от друга, усиливают все волны одновременно. Наконец, сигналы приходят на демультиплексор, разделяются и отправляются получателям (см. Рисунок 1).

Другие виды оборудования для WDM - это волоконно-оптические фильтры для выборочной передачи конкретного диапазона волн, а также ретрансляторы, функционирующие как приемно-передающие системы.

Практична ли технология WDM или это очередная причуда? Согласно докладу компании Trans-Formation, специализирующейся на анализе рынка оборудования передачи данных, рынок WDM в США вырастет примерно с 80 млн. в 1996 году до 330 млн. в 2000 году (см. Рисунок 2). Это оценка касается всего оборудования, в том числе ретрансляторов, волоконно-оптических мультиплексоров/демультиплексоров, плат WDM для оконечного оборудования линии передачи данных и усилителей для конечных точек.

ElectronicCast, другая исследовательская компания в области волоконно-оптических технологий, утверждает, что расходы в США на компоненты для WDM составили 52,5 млн. долларов в 1995 году. Компания считает оптические усилители основными компонентами WDM и полагает, что ожидаемое снижение цен на такие устройства несколько замедлится из-за появления более прогрессивных и, следовательно, более дорогостоящих технологий. Однако общая тенденция к увеличению числа каналов на один передатчик, приемник или фильтр выразится в понижении стоимости каналов.

ПУТЕВОДНАЯ ЗВЕЗДА

Развитие технологии WDM подталкивается целым рядом факторов. Марк Лутковиц, президент Trans-Formation, говорит, что дело здесь в том, что приемлемые реализации альтернативных технологий на 10 Гбит/с, например временного мультиплексирования, появятся еще не скоро. Кроме того, заметное влияние оказывает тот факт, что AT&T развертывает WDM в масштабах своей всемирной сети. По мнению Лутковица, вследствие непрекращающегося повышения спроса на пропускную способность и другие крупнейшие владельцы сетей связи вскоре последуют по стопам AT&T.

Internet и мультимедийные приложения также подталкивают реализацию WDM. Организации, которым для передачи данных большая пропускная способность просто необходима, также ищут более эффективные способы передачи.

WDM имеет множество потенциальных применений. Главным образом, она найдет спрос у компаний связи, поскольку благодаря ей они могут увеличить объем передаваемых данных без прокладки дополнительного кабеля. В большинстве случаев WDM вписывается в имеющуюся инфраструктуру волоконно-оптических линий с минимальными изменениями.

WDM используется также в межконтинентальных кабельных системах. Теоретически, любой, кто имеет волоконно-оптическую сеть, в том числе компании кабельного телевидения и коммунальные компании, может использовать WDM. Многие тем не менее считают, что, по крайней мере, в ближайшем будущем сфера применения этой технологии будет ограничена каналами дальней и сверхдальней связи, так как на небольших расстояниях она не рентабельна.

Однако Даун Хог, директор по развитию рынка SONET компании Lucent Technologies, считает иначе: "Мы не думаем, что WDM найдет применение только в области дальней связи. Уверены, что при использовании только пассивных компонентов WDM может быть установлена в метро, т. е. применена для ближней связи".

Лутковиц полагает, что технология не получит широкого распространения в сетях операторов местной или ближней связи. Подразделения дальней связи этих операторов предпочтут арендовать емкости у других операторов или перепродавать услуги. Но по мере исчерпания этих источников пропускной способности вариант с развертыванием собственного оборудования передачи данных по технологии WDM станет для таких операторов более привлекательным.

ПЛЮСЫ И МИНУСЫ

Наиболее очевидное достоинство WDM состоит в том, что эта технология позволяет увеличить пропускную способность, как правило, без весьма дорогостоящей прокладки нового оптического кабеля.

Увеличение пропускной способности может быть весьма значительным. Емкость каждого канала на линии SONET, например, может быть увеличена с 2,5 Гбит/с до 10 Гбит/с. Пропускная способность 8-, 16- и 32-канальных систем поднимется до такого уровня, что для удовлетворения требований рынка (по крайней мере в обозримом будущем) этого вполне хватит.

В некоторых случаях прокладка оптического волокна вообще невозможна. "Иногда оптоволокно негде проложить, чтобы не нарушить чье-либо право прохода", - говорит Стефан Монтгомери, вице-президент и финансовый директор ElectronicCast. Такой вариант, как реализация WDM на основе арендуемого имеющегося оптического кабеля, позволяет решить немало проблем.

WDM сэкономит ваши деньги благодаря тому, что одна линия может передавать больший объем трафика, а возможность разделять трафик по нескольким каналам весьма привлекательна с точки зрения производительности.

Другим потенциальным приложением является возможность передавать по одному и тому же волокну сигналы с разной скоростью передачи. По данным Trans-Formation, Pacific Bell реализовала этот подход в одной части своей сети и собирается реализовать OC-48 (2,5 Гбит/с) и OC-192 (10 Гбит/с) по одному и тому же волокну.

WDM реализует полностью оптическую передачу, без преобразования оптических и электрических сигналов друг в друга. Хотя Хог из Lucent и признает ценность технологии WDM, но при этом уточняет: "Мы считаем ключевыми оптические сетевые технологии сами по себе, а не просто WDM".

Наконец, появление совершенного оборудования делает технологию WDM особенно ценной. Норм Райли, инструктор из The Light Brigade, учебного центра по волоконно-оптическим технологиям, полагает, что настраиваемые лазерные системы - это значительное достижение, так как они могут использоваться как резервные. "Если одна лазерная система выходит из строя, то настраиваемая лазерная система может взять на себя функции основной и работать на той же длине волны", - объясняет Райли.

Однако технология WDM не идеальна: в числе ее недостатков отсутствие надлежащего инструментария для управления сетью и обеспечения ее функционирования. Кроме того, при внедрении WDM в имеющуюся кабельную систему пользователю будет необходимо приобрести или заменить некоторые сетевые компоненты. Наконец, еще предстоит решить некоторые технические задачи. Например, чем длиннее линия, тем больше усилителей и выше вероятность снижения производительности (см. врезку "Из тени в свет").

СХОДСТВО ИЛИ РАЗЛИЧИЕ?

Различия между стандартной технологией WDM и тем, что называется плотной WDM (dense WDM, или DWDM), интерпретируются по-разному. Монтгомери говорит, что в недавнем исследовании его компании технология DWDM классифицировалась как мультиплексирование двух или более каналов по одному волокну при расстоянии между каналами 2 нм или менее.

Спросите Алана Виллнера, доцента кафедры электронных систем Южнокалифорнийского университета, и вы услышите несколько иной ответ. Помимо участия в USC Виллнер занимает несколько постов в IEEE, в том числе вице-президента по техническим делам в Laser and Electrooptic Society и помощника редактора в IEEE Journal of Lightwave Technology.

"Я не думаю, что есть четкое разграничение между WDM и DWDM. Однако если расстояние между каналами меньше 1,6 нм (200 ГГц), то это плотная технология", - утверждает Виллнер. В прошлом, замечает он, эта величина считалась равной 0,5 нм.

Лутковиц из Trans-Formation соглашается, что четкого различия между DWDM и WDM нет. "Все зависит от того, с кем вы говорите, - утверждает он. - DWDM - неоднозначный термин". Сам Лутковиц считает, что DWDM - это когда каналов четыре или больше.

Во время написания нашей статьи никаких формальных стандартов на WDM принято еще не было, но Международный союз по связи (ITU) занимается этим довольно активно.

Ввиду того, что большинство обсуждаемых нами приложений удовлетворяют вышеназванным параметрам, мы будем использовать акроним WDM в применении к этой современной технологии вообще.

WDM ПРОТИВ TDM

Основным конкурентом WDM является технология временного мультиплексирования TDM. В случае TDM два или более сигнала передаются по одному и тому же пути в разные интервалы времени, причем каждый сигнал получает отдельный "квант времени". Каждый квант времени назначается конкретному каналу. Системы TDM выделяют полосу пропускания всем приложениям на линии и обеспечивают достаточно предсказуемый поток трафика.

Но в силу ряда факторов, в частности дисперсии сигнала (см. врезку "Из тени в свет"), многие сомневаются, что TDM сможет превзойти порог в 10 Гбит/с. Среди таких скептиков Дуг МакКинли, технический директор в Sprint Long Distance. "Я весьма пессимистически расцениваю перспективы применения TDM для дальней связи", - заявляет он.

Айра Якобс согласен с этим. Как профессор электроники в Virginia Tech и сотрудник факультетского исследовательского центра в области электронной и волоконной оптики, он занимается WDM. "Емкость оптоволокна исчерпать полностью с помощью одного временного мультиплексирования невозможно", - полагает Якобс. Но сбрасывать TDM со счетов полностью он не намерен, поскольку сочетание WDM и TDM может оказаться весьма эффективным решением.

Тот факт, что TDM является хорошо известной величиной в сфере связи, может вызвать нежелание потенциальных потребителей заниматься WDM.

По мнению Лутковица, поставщики оборудования для TDM постараются, ввиду угрозы конкуренции, произвести системы OC-192 с необходимыми функциями для конкуренции с WDM на рынке технологий на 10 Гбит/с и выше. Он предсказывает также, что тем не менее WDM получит широкое распространение в системах OC-192.

КРУПНЫЙ СЧЕТ

Цены на оборудование WDM предсказать довольно трудно. Вследствие новизны технологии глубокий анализ цен пока не возможен. Однако Монтгомери утверждает, что в зависимости от конфигурации системы WDM будут стоить от 13 000 до 100 000 долларов за канал.

С финансовой точки зрения, технология WDM более оправдана для приложений в области дальней связи.

В Trans-Formation предполагают, что цены на конечные системы WDM значительно снизятся уже в ближайшие несколько лет. В подтверждение своих слов Лутковиц приводит такие причины, как ограниченные возможности в дифференциации продуктов, снижение себестоимости в результате резкого роста объемов производства и рост конкуренции среди систем OC-192.

Лутковиц говорит, что до 2000 года цена конечных систем WDM с четырьмя и восемью каналами упадет на 49 и 43%, а цены на 16- и 32-канальные системы снизятся на 35 и 19%, соответственно.

Согласно мнению ElectronicCast, тенденция к снижению цен на конкретные компоненты будет частично сдерживаться их искусственным завышением под маркой прогрессивности технологии, а также вследствие уменьшения расстояния между каналами и улучшения стабильности системы. Однако увеличение числа каналов в расчете на приемник, передатчик и фильтр приведет в итоге к снижению общей стоимости канала.

Отдельного рассмотрения требует вопрос, в каких ситуациях системы WDM становятся конкурентоспособными по цене с TDM. По всей видимости, система OC-48 на базе WDM более эффективна по цене, чем система OC-192 на базе TDM, ввиду малой распространенности последних. "К тому времени, когда местные компании связи соберутся переходить на 10 Гбит/с, - комментирует Лутковиц, - системы OC-192 на базе TDM должны стать более конкурентоспособны с WDM ввиду их более широкого распространения".

МакКинли из Sprint утверждает, что если начальная цена WDM выше, чем цена традиционной технологии SONET, то в долгосрочной перспективе WDM экономичней, в частности при больших расстояниях сети SONET предполагают установку значительного числа ретрансляторов. Используемые в системах WDM усилители обладают большей мощностью, нежели ретрансляторы сигналов в SONET.

Райли из Light Brigade подытоживает вышесказанное следующим образом: "Все в конце концов сводится к деньгам, - вынужден признать он. - Вопрос в том, что лучше: прокладывать новый кабель или приобрести более чуткую систему для передачи большего количества битов в секунду".

КЛЮЧ НА СТАРТ

Технология WDM уже внедряется несколькими операторами дальней связи, в то время как другие компании планируют ее развертывание.

Sprint создает опорную сеть ATM с возможностью передачи мультимедийного трафика с темпом 160 миллиардов бит в секунду. Сеть с двунаправленными кольцами SONET использует WDM, в результате пропускная способность такого кольца в 32 раза больше, чем у традиционного кольца SONET (см. врезку "Sprint видит свет").

По данным Trans-Formation, AT&T собирается вложить несколько миллиардов долларов в создание глобальной сети с применением технологии SONET и WDM. ATM будет служить в качестве среды передачи для службы InterSpan компании AT&T.

Наконец, MCI заявила в прошлом году о своем намерении развернуть систему WDM производства Optical Corporation of America для повышения пропускной способности сети до 10 Гбит/с. Лутковиц говорит, что MCI собирается реализовать WDM в системах OC-192.

Кроме того, WDM может стать весьма привлекательным вариантом для многих операторов ближней связи в качестве магистрального канала между коммутаторами. Вполне вероятна широкомасштабная реализация WDM такими компаниями, как Pacific Bell, Bell Atlantic и US West.

ВОЗМОЖНЫЕ ВАРИАНТЫ

Дальнейшее формирование рынка WDM может сопровождаться множеством неожиданностей. Среди основных игроков как хорошо, так и мало известные имена, вследствие чего развитие этого сектора рынка представляет особый интерес. По данным Лутковица из Trans-Formation, подавляющая часть продуктов WDM поддерживает каналы со скоростью 2,4 Гбит/с.

Pirelli, представившая свою систему WaveMux 3200 WDM прошлой осенью, контролирует основную долю рынка. WaveMux способна работать с восемью каналами на 10 Гбит/с. Pirelli выпустила также продукт для управления под названием WaveScan.

Относительный новичок в этой области - Ciena - привлекла внимание своей системой MultiWave 1600. Система работает на скоростях до 40 Гбит/с, обслуживает до 16 каналов и передает сигнал на расстояние до 600 км без промежуточных усилителей. MultiWave имеет встроенные средства управления, удаленного доступа и контроля рабочих характеристик.

Система Optical Line System (OLS) компании Lucent Technologies, поддерживающая до 8 каналов, появилась в июне 1996 года. Система работает на скоростях до 20 Гбит/с. Lucent планирует выпустить 16-канальную систему OLS до конца этого года.

Осенью 1996 года IBM представила свою модельную систему 9729 WDM. Она поддерживает до 20 каналов, а скорость линии составляет 4 Гбит/с. Эта система предназначена для корпоративных пользователей, а не для телекоммуникационных компаний.

Среди других игроков на рынке WDM Northern Telecom, Alcatel Network Systems и SpectraWave.

СВЕТ ВПЕРЕДИ

В будущем эта динамичная технология наверняка претерпит еще немало изменений. "Я думаю, что число каналов в одной системе возрастет уже в ближайшие годы, - полагает МакКинли из Sprint, - но только в некоторых оправданных пределах. Очевидно, вы должны учитывать рабочие характеристики при развертывании 32 каналов OC-48 по одному и тому же оптоволокну". Лутковиц соглашается с тем, что максимальная емкость сети еще долго будет оставаться на уровне 32 каналов.

Очередная задача состоит в адаптации технологии для ближних приложений. Так, исследовательский центр по оптической и электронной оптике занимается экспериментами с подходом, именуемым "квантованием спектра".

WDM предполагает использование разных сигналов на разных длинах волн. Один из перспективных способов (по крайней мере в теории) реализации такого сценария предполагает применение источника широкополостного сигнала и получения различных длин волн посредством фильтрации или квантования спектра данного источника сигнала. В этом случае необходим всего один передатчик, а не многочисленные, точно настроенные лазеры. Кроме того, при использовании оптического приемника с предусилителем общая мощность системы, может быть увеличена примерно на порядок.

"К сожалению, предлагаемый подход ориентирован исключительно на внешнюю модуляцию, - сожалеет Якобс, - но и эта проблема решаема".

Исследования по данному вопросу ведутся группой Multi-Wavelength Optical Network (MONET), членами которой являются AT&T, Lucent, Bellcore и Bell Atlantic. Группа занимается исключительно технологиями WDM. По словам Хога из Lucent, это оптическое межсоединение для обеспечения "полной гибкости оптических сетей на оптическом уровне без посредничества электрического уровня".

Интересной областью, над которой работает исследовательское подразделение Bell Labs компании Lucent, является WDM на базе полупроводников. При этой технологии оптические волноводы на кремниевой подложке служат для направления сигнала.

Как и для любой новой технологии, прогнозам о том, как быстро она будет развиваться, несть числа. Однако Лутковиц напоминает нам о реальном положении дел в том секторе рынка, где WDM должна найти свою нишу. "Телекоммуникационные компании весьма консервативны, - замечает он. - Любые оценки, скорее, окажутся завышенными, чем заниженными. Однако несмотря на несколько пессимистические прогнозы - это довольно емкий рынок".

КАК ОПТИМИЗИРОВАТЬ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ?

Из тени в свет

Как и в случае любой новой технологии мультиплексирование по длине волны (WDM) имеет свою оборотную сторону, поскольку реализация данной технологии сопряжена с некоторыми техническими трудностями. Айра Якобс, профессор электротехники в Virginia Tech, сотрудник исследовательского центра по волоконной и электрооптике, занимается решением многих из этих задач.

"Во-первых, это сложность адекватного контроля за конкретными волнами в системе, которые должны, кроме того, соответствовать полосе пропускания оптического фильтра", - говорит Якобс. (Такие фильтры выборочно передают или блокируют волны определенных диапазонов, которые называются, соответственно, полоса пропускания и полоса запирания.) "Помимо того, - продолжает он, - оптические усилители по-разному усиливают волны различной длины, а это приводит к неравномерному распределению мощности между различными каналами".

Алан Виллнер, доцент факультета электротехнических систем Южно-Калифорнийского университета, использует аналогию с шоссе для иллюстрации некоторых технических проблем WDM: "Сложности возникают, когда шоссе имеет несколько полос движения. Что произойдет, если кто-нибудь влезет в ваш ряд, когда и так движение плотное, а вы, например, сворачиваете на другую магистраль, или едущий впереди автомобиль начинает тормозить?"

Одна из главных проблем здесь - дисперсия. Импульс света состоит из множества частот, каждая из которых обладает своей скоростью. При дисперсии - а это явление наиболее ярко проявляется в случае дальней связи - одиночный короткий импульс размазывается по времени. Это размазывание означает, что окно, в которое он прибывает, становится все шире и шире. "Таким образом, качество сигнала становится хуже, и вероятность ошибок возрастает, - констатирует Виллнер. - Как результат, изначально четкий импульс уже не является таковым".

Дисперсия начинает проявляться, когда протяженность линии превышает несколько сот километров или темп передачи превосходит уровень нескольких гигабит в секунду. Чем короче световой импульс, тем серьезнее проблема, потому что времени до прибытия следующего импульса остается меньше.

Частично эта проблема решается посредством использования бездисперсионного оптоволокна как в межконтинентальной глубоководной связи. Точка, в которой потеря сигнала минимальна, и точка, в которой дисперсия подавляется, совпадают, поэтому бездисперсионное волокно оптимизирует сигнал.

Другая проблема возникает, когда сигналы WDM передаются по линии SONET. Системы с применением технологий ATM и SONET, например, требуют решения ряда сложных задач управления сетью. Появление здесь плюс ко всему WDM добавляет еще один трудный в управлении компонент.

Марк Лутковиц, президент компании Trans-Formation, специализирующейся на изучении рынка оборудования связи, замечает другой потенциальный недостаток как с технической, так и с финансовой точки зрения. Увеличение емкости WDM системы может потребовать замены и других элементов сети. "Однако все не так страшно, - добавляет он, - поскольку операторы связи, использующие такие системы, могут вполне избежать этой проблемы посредством проектирования сети с учетом дополнительных каналов".

ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ИНФОРМАЦИЯ

Дополнительную информацию о технологии WDM можно найти на следующих узлах Web:

International Society for Optical Engeneering (SPIE): www.spie.org;

Ontario Laser and Lightwave Research Centre: www.ollrc.on.ca;

International Telecommunications Union (ITU): www.itu.ch;

Photonics Resource Centre: www.optics.org.

НОВАТОР В МИРЕ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИЙ ДЕЛАЕТ СТАВКУ НА WDM

Sprint видит свет

Заявив в 1996 году о реализации опорной сети ATM в беспрецедентных масштабах, Sprint приобрела звание новатора в области связи. Система состоит из двунаправленных колец SONET с применением технологии мультиплексирования по длине волны (WDM). При кольцевой топологии WDM обеспечивает в 32 раза большую пропускную способность, чем стандартная магистраль SONET. Благодаря этому Sprint получает более широкие возможности для передачи голоса, видео, данных и IP-трафика.

Сеть Sprint включает систему MultiWave 1600 WDM компании Ciena. Sprint развернула также 4- и 8-канальную систему WDM от Pirelli. На маршрутах с наибольшим трафиком развернута 16-канальная система.

Sprint устанавливает WDM во всей своей сети в целях увеличения емкости каждой оптической линии с 2,5 до 10 Гбит/с. Кроме того, компания проводит тесты с целью проверки возможности повышения этой цифры до 20 Гбит/с. Sprint утверждает, что она собирается перевести свои сети передачи голоса и данных на ATM в 1998-99 годах.

Сеть будет состоять из базовых коммутаторов, коммутаторов эмулируемой ЛВС и пограничных коммутаторов от таких поставщиков, как NEC, Fore Systems и Northern Telecom. Коммутаторы ATM будут связаны кольцами SONET.

Почему Sprint предпочла WDM другим потенциальным конкурентам, таким, например, как технологии временного мультиплексирования (TDM)? Дуг МакКинли, технический директор в Sprint Long Distance, называет две основные причины. Во-первых, компания столкнулась с отсутствием на рынке систем TDM, которые прошли бы надежное тестирование. Во-вторых, по мнению руководства, компания в долгосрочной перспективе WDM, в отличие от TDM, способна обеспечить более высокую пропускную способность за более низкую цену.