NGN — импульсная кодовая модуляция

Появление высокоскоростной передачи голоса и данных привело к необходимости быстрой среды для передачи информации. Цифровые каналы или линии связи возникли из-за необходимости передавать голос или данные в цифровой форме.

Преобразование из аналоговой в цифровую форму выполняется в четыре этапа ( см. Следующий рисунок ) и будет подробно описано в следующих разделах.

отбор проб

Тональные частоты принимают форму аналогового сигнала, то есть синусоиды ( см. Следующий рисунок ). Этот сигнал должен быть преобразован в двоичную форму для его передачи по цифровому носителю. Первым этапом этого преобразования является преобразование аудиосигнала в сигнал импульсной амплитудной модуляции (PAM) . Этот процесс известен как выборка .

Процесс сэмплирования должен собирать достаточную информацию от входных речевых частот, чтобы можно было сделать копию исходного сигнала. Частоты речевых сигналов обычно находятся в диапазоне от 300 Гц до 3400 Гц , обычно называемых коммерческой речевой полосой .

Чтобы получить семпл, частоту семплирования применяют к исходной голосовой частоте. Частота дискретизации определяется по теореме выборки Найквиста , которая гласит, что «частота дискретизации должна быть как минимум вдвое больше, чем самая высокая частотная составляющая».

Это гарантирует, что выборка берется минимум один раз в каждом полупериоде, таким образом исключая возможность выборки в нулевых точках цикла, которые не имели бы амплитуды. Это приводит к тому, что частота дискретизации составляет минимум 6,8 кГц.

Европейский стандарт осуществляет выборку входящего сигнала с частотой 8 кГц , обеспечивая выборку каждые 125 микросекунд или 1/8000 секунды ( см. Следующий рисунок ).

квантование

Амплитуда каждой выборки в идеале должна иметь двоичный код (1 или 0), но так как может быть бесконечное количество амплитуд; следовательно, должно быть бесконечное количество доступных двоичных кодов. Это было бы нецелесообразно, поэтому необходимо использовать другой процесс, который известен как квантование .

Квантование сравнивает сигнал PAM со шкалой квантования, которая имеет конечное число дискретных уровней. Шкала квантования разделяется на 256 уровней квантования, из которых 128 являются положительными уровнями, а 128 — отрицательными уровнями.

Этап квантования включает в себя выделение уникального 8-битного двоичного кода, соответствующего интервалу квантования, в который попадает амплитуда сигнала PAM ( см. Следующий рисунок ).

Это включает 1 бит полярности с остальными 7 битами, используемыми для идентификации уровня квантования ( как показано на рисунке выше ).

Первый бит, который мы видели ранее, это бит полярности, следующие три бита для кода сегмента, дающие восемь кодов сегмента, и оставшиеся четыре бита для уровня квантования, дающие шестнадцать уровней квантования.

Компандирование

Сам процесс квантования приводит к явлению, известному как искажение квантования . Это происходит, когда амплитуда дискретизированного сигнала падает между уровнями квантования. Сигнал всегда округляется до ближайшего целого уровня. Эта разница между уровнем дискретизации и уровнем квантования является искажением квантования.

Скорость изменения амплитуды сигнала варьируется на разных участках цикла. Это происходит чаще всего на высоких частотах, поскольку амплитуда сигнала изменяется быстрее, чем на низких частотах. Чтобы преодолеть это, код первого сегмента имеет уровни квантования близко друг к другу. Следующий код сегмента затем удваивает высоту предыдущего и так далее. Этот процесс известен как компандирование , поскольку он сжимает большие сигналы и расширяет меньшие сигналы.

В Европе они используют A-закон компандирования по сравнению с Северной Америкой и Японией, которые используют закон μ .

Поскольку искажение квантования эквивалентно шуму, компандирование улучшает отношение сигнал / шум в сигналах с низкой амплитудой и создает приемлемое отношение сигнал / шум во всем диапазоне амплитуд.

кодирование

Для того чтобы двоичная информация передавалась по цифровому тракту, информация должна быть модифицирована в подходящий линейный код. Техника кодирования, используемая в Европе, известна как биполярный 3 высокой плотности (HDB3) .

HDB3 получен из строкового кода, называемого AMI или Alverate Mark Inversion . В кодировке AMI используются 3 значения: нет сигнала для представления двоичного 0 и положительного или отрицательного сигнала, который попеременно используется для представления двоичного 1.

Одна проблема, связанная с кодированием AMI, возникает при передаче длинной строки нулей. Это может вызвать проблемы петли фазовой синхронизации на приемнике удаленного конца.

HDB3 работает аналогично AMI, но включает дополнительный шаг кодирования, который заменяет любую строку из четырех нулей тремя нулями, за которыми следует «бит нарушения». Это нарушение имеет ту же полярность предыдущего перехода ( см. Следующий рисунок ).

Как видно из примера, 000V заменяет первую строку из четырех нулей. Однако использование этого типа кодирования может привести к тому, что в сигнал будет добавлен средний уровень постоянного тока, поскольку может присутствовать длинная строка нулей, причем все они кодируются одинаковым образом. Чтобы избежать этого, кодирование каждого последующего четырех нулей изменяется на B00V с использованием бита «биполярного нарушения», который чередуется по полярности.

Исходя из этого, можно предположить, что при кодировании HDB3 максимальное количество нулей без перехода равно трем. Этот метод кодирования часто называют форматом модуляции .

NGN — мультиплексирование

мультиплексирование

До сих пор мы концентрировались только на одном голосовом канале. Теперь нам нужно объединить несколько этих каналов в один канал передачи, процесс, известный как мультиплексирование . Мультиплексирование — это процесс, который используется для объединения нескольких каналов, чтобы они передавались по одному каналу передачи. Процесс, обычно используемый в телефонии, известен как мультиплексирование с временным разделением (TDM) .

Как мы уже видели, выборка для одного канала происходит каждые 125 микросекунд . Это позволяет выбирать другие каналы в течение этого периода. В Европе промежуток времени делится на 32 периода времени, известных как временные интервалы . Эти 32 временных интервала могут быть сгруппированы вместе, чтобы сформировать кадр ( см. Следующий рисунок ).

Следовательно, продолжительность кадра может рассматриваться как 125 микросекунд. Теперь также можно предположить, что, поскольку каждый временной интервал состоит из 8 битов данных и повторяется 8000 раз, достижима скорость канала 64000 бит в секунду или 64 Кбит. С помощью этой информации теперь можно определить общее количество битов данных, передаваемых по одному тракту, известному как системная скорость передачи данных . Это рассчитывается по следующей формуле —

Системная скорость передачи данных = частота дискретизации x количество временных интервалов x битов на временной интервал = 8000 x 32 x 8, = 2048000 бит / с, = 2,048 Мбит

Из 32 доступных каналов 30 используются для передачи речи, а оставшиеся 2 временных интервала используются для выравнивания и сигнализации. В следующем разделе объясняется функция всех временных интервалов.

NGN — Каркасная структура

Временной интервал от 1 до 15 и от 17 до 31

Эти 30 временных интервалов доступны для передачи оцифрованного аналогового сигнала в 8-битной форме с полосой пропускания 64 кбит / с (например, данные клиентов).

Таймслот 0

Рекомендуемая европейская система определяет, что временной интервал 0 каждого кадра используется для синхронизации, также называемой выравниванием кадров ( см. Следующий рисунок ). Это гарантирует, что временные интервалы в каждом кадре выровнены между передающей станцией и принимающей станцией.

Слово выравнивания кадров (FAW) переносится в битах данных 2-8 каждого четного кадра, в то время как нечетные кадры несут слово выравнивания кадров (NFAW) в бите данных 2 ( см. Следующий рисунок ).

Проверка ошибок также доступна во временном интервале 0 с использованием циклической проверки избыточности (CRC) для проверки выравнивания кадров, которое передается в бите данных 1 всех кадров. Существует также средство сообщения о тревогах на дальнем конце , которое указывается двоичным 1, вставляемым в бит данных 3 всех нечетных кадров. Оставшиеся биты данных 4–8 нечетных кадров могут использоваться для национальных сигналов тревоги и управления сетью.

Таймслот 16

Временной интервал 16 имеет 8 доступных битов данных, и используя переменный код из 4 битов данных, сигнализация может быть выполнена для 2 речевых каналов в каждом кадре.

Таким образом, можно видеть, что для завершения сигнализации для всех голосовых каналов требуется 15 кадров ( см. Следующий рисунок ).

Поскольку теперь существует несколько кадров, переносимых в логическом порядке, должно быть устройство для их выравнивания. Это достигается путем использования кадра перед кадрами, содержащими информацию сигнализации, известную как кадр 0.

Временной интервал 16 в кадре 0 содержит слово выравнивания многокадров (MFAW) с использованием битов данных с 1 по 4 и используется для указания начала многокадра, которые проверяются на принимающей станции ( см. Следующий рисунок ).

Бит 6 данных может использоваться для указания отдаленной потери многокадрового выравнивания (DLMFA). Как можно видеть, многокадр состоит из всех кадров, необходимых для завершения всех речевых и сигнальных операций, то есть 16 кадров, и называется многокадром ( см. Следующий рисунок ).

Продолжительность мультикадра может быть рассчитана с использованием следующего:

Длительность мультикадра = количество кадров х длительность кадра

= 16 х 125 микросекунд

= 2000 микросекунд

= 2 миллисекунды

Все остальные каналы могут использоваться для передачи голоса или данных и известны как временные интервалы от 1 до 15 и от 17 до 31, и приравниваются к каналам с номерами от 1 до 30.

FAW = Слово выравнивания кадра

MFAW = Слово выравнивания мультикадра

DATA = 8-битные слова данных

SIG = временной интервал сигнализации CAS

NGN — мультиплексирование высшего порядка

Плезиохронная цифровая иерархия (PDH) была разработана поэтапно из базовой 30-канальной системы PCM (PCM-30).

Как видно на следующем рисунке, доступны три разные иерархические системы, каждая из которых поддерживает разные скорости линий и скорости мультиплексирования. Поэтому более высокие совокупные скорости могут быть достигнуты путем группировки более низких скоростей за счет использования мультиплексоров.

Каналы с более высокой скоростью передачи также требуют дополнительных битов для формирования кадров и управления. Например, сигнал 8,4 Мбит / с содержит 4 × 2,048 Мбит = 8,192 Мбит, а оставшиеся 256 Кбит используются для формирования кадров и управления.

Европейские и североамериканские системы иерархии часто обозначаются буквой «Е» для европейского и «Т» для североамериканского, причем уровни иерархии нумеруются последовательно. Эти уровни иерархии можно сравнить на следующем рисунке —

	Уровень иерархии	Битрейт (Мбит)	Голосовые каналы
Северная Америка	T1	1,544	24
	T2	6,312	96
	T3	44,736	672
	T4	274,176	4032
Европейская	E1	2,048	30
	E2	8,448	120
	E3	34,368	480
	E4	139,264	1920
	Не определен	565,148	7680

Эти битрейты часто сокращаются до 1,5, 3, 6, 44, 274 и 2, 8, 34, 140 и 565 мегабайт соответственно.

Поскольку наследие PDH является столь заметным в телекоммуникационной отрасли, возникла необходимость учитывать эти скорости линий в любой новой технологии, которая будет внедрена, поэтому многие скорости линий PDH поддерживаются синхронной цифровой иерархией (SDH). Единственным исключением из этого является отсутствие уровня 8,4 Мбит, который больше не имеет никакого практического значения и не поддерживается SDH.

В базовой системе 2 Мбит данные чередуются байтами, в результате чего каждый 8-битный временной интервал отправляется один за другим. В случае более высоких уровней иерархии потоки данных мультиплексируются вместе побитно. Недостаток этой системы состоит в том, что скорость передачи каждого трибутарного сигнала может отличаться от номинального значения из-за того, что каждый мультиплексор имеет свои собственные независимые источники тактовых импульсов. Эти отклонения тактовой частоты зависят от скорости линии и могут быть компенсированы с использованием методов выравнивания в пределах полосы пропускания, остающейся после стадии мультиплексирования. Скорость линии также определяет код линии, используемый для передачи, как показано ниже:

Битрейт (Мбит)	Количество каналов 64 Кбит	Допустимое отклонение часов (промилле)	Код интерфейса	Предпочтительный средний / линейный код
				уравновешенный	коаксиальный	Оптоволокно
2,048	30	± 50	AMI	HDB3
8,448	120	± 30	HDB3	HDB3	HDB3
34,368	480	± 20	HDB3	HDB3	4B3T 2B1Q	5B6B
139,264	1920	± 15	CMI		4B3T	5B6B

4B3T

2B1Q

NGN — плезиохронная цифровая иерархия

Свойства ПДГ

• Плезиохронный — «почти синхронный»

• Мультиплексирование сигналов 2 Мбит / с в мультиплексированные сигналы более высокого порядка.

• Прокладка кабеля между коммутаторами очень дорогая.

• Увеличение пропускной способности кабеля за счет увеличения скорости передачи данных.

• 4 сигнала более низкого порядка, мультиплексированные в один сигнал более высокого порядка на каждом уровне.

Плезиохронный — «почти синхронный»

Мультиплексирование сигналов 2 Мбит / с в мультиплексированные сигналы более высокого порядка.

Прокладка кабеля между коммутаторами очень дорогая.

Увеличение пропускной способности кабеля за счет увеличения скорости передачи данных.

4 сигнала более низкого порядка, мультиплексированные в один сигнал более высокого порядка на каждом уровне.

Технология PDH позволяет последовательно мультиплексировать сигнал от 2 М до 8 М, от 8 М до 34 М, от 34 М до 140 М и, наконец, от 140 М до 565 М систем.

Существовали также «скачкообразные» или «пропускающие» мультиплексоры, которые позволяли бы мультиплексировать 16 2 М сигналов в сигнал 34 М без промежуточного уровня 8 М.

Ограничения PDH

Синхронизация — данные передаются через равные промежутки времени. С учетом времени, полученного из генератора передатчика, данные дискретизируются с той же скоростью, что и при передаче.

Данные передаются через равные промежутки времени. С синхронизацией, полученной из генератора передатчика, данные выбираются с более медленной скоростью, чем передатчик. Одним из недостатков PDH было то, что каждый элемент был синхронизирован независимо. Для правильного приема данных частота дискретизации на стороне приемника должна быть такой же, как скорость передачи на стороне передатчика.

Данные передаются через равные промежутки времени. С учетом времени, полученного из генератора передатчика, данные выбираются с более высокой скоростью, чем передатчик. Если бы генератор на стороне приемника работал медленнее, чем на стороне передатчика, приемник пропустил бы некоторые биты передаваемого сигнала.

Или, если часы приемника работали быстрее, чем часы передатчика, приемник брал бы некоторые биты дважды.

Биты обоснования добавляются к сигналам более низкого порядка, чтобы их можно было мультиплексировать с одной скоростью. Осциллятор оборудования используется в качестве источника синхронизации для процесса адаптации скорости передачи битов в нижнем порядке, а также в мультиплексной передаче. Биты обоснования отбрасываются на принимаемом конце, когда сигналы демультиплексируются.

Из-за методов синхронизации, которые были использованы, было невозможно демультиплексировать от сигнала высокого порядка до низшего порядка трибутарного сигнала в одной единице оборудования. Необходимо было демультиплексировать на всех уровнях, чтобы получить доступ к сигналу, который отбрасывался на площадке, а затем повторно мультиплексировать все другие каналы обратно на более высокую скорость. Это означало, что на площадке должно было быть много оборудования для этого. Это известно как гора Mux PDH . Все это оборудование заняло много места на площадке, а также увеличило потребность в запасных частях на площадках.

Отсутствие устойчивости в сетях PDH означало, что в случае разрыва оптоволокна трафик был бы потерян. Управление сетью PDH просто сообщает о сигналах тревоги операторам NOC. Для сотрудников НОК нет средств диагностики или исправления. Инженер по обслуживанию должен быть отправлен на сайт с минимальным количеством информации. Каждый элемент сети требует подключения к сети DCN, поскольку не существует никаких средств для передачи управляющей информации по сети PDH.

Отсутствие стандартов для присоединения означало, что было невозможно соединить оборудование от нескольких поставщиков. Оборудование может работать на разных длинах волн, использовать разные скорости передачи данных или собственные оптические интерфейсы.

NGN — синхронная цифровая иерархия

Сети SDH заменили PDH и имели несколько ключевых преимуществ.

• Рекомендации МСЭ G.707, G.708 и G.709 обеспечивают основу для глобальной сети.

• Сети получают преимущества от устойчивости трафика, чтобы минимизировать потери трафика в случае обрыва оптоволокна оборудования.

• Встроенная технология мониторинга позволяет удаленно настраивать и устранять неисправности сети.

• Гибкая технология обеспечивает приток доступа на любом уровне.

• Перспективная технология обеспечивает более высокую скорость передачи данных по мере развития технологий.

Рекомендации МСЭ G.707, G.708 и G.709 обеспечивают основу для глобальной сети.

Сети получают преимущества от устойчивости трафика, чтобы минимизировать потери трафика в случае обрыва оптоволокна оборудования.

Встроенная технология мониторинга позволяет удаленно настраивать и устранять неисправности сети.

Гибкая технология обеспечивает приток доступа на любом уровне.

Перспективная технология обеспечивает более высокую скорость передачи данных по мере развития технологий.

В то время как европейские сети PDH не могли взаимодействовать с сетями США, сети SDH могут нести оба типа. На этом слайде показано, как сравниваются различные сети PDH и какие сигналы могут передаваться по сети SDH.

SDH — топологии сети

Линия Система

Одинокая система — это система с топологией сети PDH. Трафик добавляется и удаляется только в конечных точках сети. Терминальные узлы используются в конце сети для добавления и отбрасывания трафика.

В любой сети SDH можно использовать узел, известный как регенератор. Этот узел принимает сигнал SDH высокого порядка и повторно передает его. Нет доступа к трафику более низкого порядка из регенератора, и они используются только для покрытия больших расстояний между площадками, где расстояние означает, что принимаемая мощность будет слишком низкой для переноса трафика.

Кольцевая система

Кольцевая система состоит из нескольких мультиплексоров ввода-вывода (ADM), соединенных в кольцевую конфигурацию. Доступ к трафику можно получить в любом ADM по всему кольцу, а также для отбрасывания трафика в нескольких узлах для целей широковещательной передачи.

Кольцевая сеть также обладает преимуществом обеспечения устойчивости трафика, если есть трафик разрыва оптоволокна, который я не потерял. Устойчивость сети обсуждается более подробно позже.

Синхронизация сети SDH

В то время как сети PDH не были централизованно синхронизированы, сети SDH являются (отсюда и название синхронной цифровой иерархией). Где-то в сети операторов будет основной справочный источник. Этот источник распространяется по сети либо по сети SDH, либо по отдельной сети синхронизации.

Каждый узел может переключаться на резервные источники, если основной источник становится недоступным. Определены различные уровни качества, и узел переключит следующий источник наилучшего качества, который он сможет найти. В тех случаях, когда узел использует синхронизацию входящей линии, для обозначения качества источника используется байт S1 в служебных данных MS.

Источником самого низкого качества, доступным для узла, является, как правило, его внутренний генератор, в случае, когда узел переключается на свой собственный внутренний источник тактовых импульсов, это следует исправить как можно скорее, так как узел может начать генерировать ошибки со временем.

Важно, чтобы стратегия синхронизации для сети была тщательно спланирована, если все узлы в сети попытаются синхронизировать ее соседа с одной и той же стороны, вы получите эффект, называемый циклом синхронизации, как показано выше. Эта сеть быстро начнет генерировать ошибки, поскольку каждый узел пытается синхронизироваться друг с другом.

Иерархия SDH

Следующая диаграмма показывает, как создается полезная нагрузка, и она не так страшна, как кажется на первый взгляд. Следующая пара слайдов объяснит, как сигнал SDH строится из полезных нагрузок нижнего уровня.

Рамка СТМ-1

Кадр состоит из строк из 9 служебных данных и 261 байта полезной нагрузки.

Кадр передается строка за строкой, как показано ниже. Передаются 9 служебных байтов подряд, за которыми следуют 261 байт полезной нагрузки, затем следующая строка передается аналогичным образом, пока не будет передан весь кадр. Весь кадр передается за 125 микросекунд.

Накладные расходы СТМ-1

Первые 3 ряда служебных данных называются служебными заголовками секции повторителя. Четвертая строка образует указатели AU, а последние 5 строк содержат заголовки мультиплексной секции.

Чтобы объяснить различные типы издержек, рассмотрим систему, в которой полезная нагрузка проходит через несколько промежуточных регенераторов до достижения ADM, из которого она добавляется / отбрасывается.

Служебные данные секции повторителя используются для связи и мониторинга между любыми двумя соседними узлами.

Заголовки мультиплексной секции используются для связи и мониторинга между двумя узлами, которые имеют средства добавления / отбрасывания, такие как ADM.

На более низком уровне есть также издержки пути, которые добавляются на уровне трибутаров, они будут обсуждены более подробно позже.

Мониторинг различных служебных сигналов облегчает выявление проблем в сети. Аварийный сигнал RS указывает на проблему на стороне HO SDH между двумя узлами, в то время как при исследовании аварийного сигнала MS вы можете исключить проблемы на узлах регенератора.

Трассировка пути SDH

Трассировка пути может быть очень полезна для определения проблем межсоединений между узлами. Могут быть различные физические взаимосвязи, такие как соединения и участки в оптических кадрах между двумя узлами. Каждый узел настраивается сетевым оператором для отправки уникальной строки, которая его идентифицирует.

Каждый узел также настроен со строкой, которую он должен получить от своего соседнего узла.

Если трассировка пути, полученная узлом, совпадает с ожидаемой, то все в порядке.

Если полученная трасса пути не совпадает с трассой, которую ожидает узел, то это указывает на проблему со связью между узлами.

Управление SDH

Каналы DCC, содержащиеся в заголовках раздела, позволяют легко управлять сетью SDH. Система управления сетью, подключенная к узлу в сети, может связываться с другими узлами в сети, используя каналы DCC. Узел, который подключен к сети DCN, известен как узел шлюза, для обеспечения устойчивости обычно в сети имеется более одного узла шлюза.

Устойчивость сети SDH

В конфигурации кольца трафик отправляется на оба маршрута вокруг кольца от исходного ADM (мультиплексор добавления / отбрасывания). В любом ADM, где сигнал не сброшен, он просто проходит. Хотя трафик проходит по кольцу по обоим маршрутам, но для извлечения трафика из принимающего ADM используется только один маршрут, этот маршрут является активным маршрутом или путем. Другой маршрут известен как резервный маршрут или путь.

Если на активном пути имеется разрыв волокна, принимающий ADM переключится с использованием альтернативного сигнала в качестве активного пути. Это позволяет быстро и автоматически восстанавливать поток трафика для клиентов. При восстановлении разрыва волокна кольцо не переключается автоматически, поскольку это вызовет дальнейшее «попадание» трафика, но будет использовать его как резервный путь в случае будущего сбоя на новом активном пути. MUX, который теряет трафик, будет использовать K байтов, чтобы сигнализировать защитный переключатель обратно к исходному MUX.

Ручные кольцевые выключатели также могут выполняться либо из центра управления сетью, либо с локальных терминалов, управляемых инженерами.

NGN — технология WDM

WDM — это технология, которая позволяет передавать различные оптические сигналы по одному волокну. Его принцип, по сути, такой же, как мультиплексирование с частотным разделением (FDM). То есть несколько сигналов передаются с использованием разных несущих, занимающих неперекрывающиеся части частотного спектра. В случае WDM используемая полоса спектра находится в области 1300 или 1550 нм, которые представляют собой окна с двумя длинами волн, в которых оптические волокна имеют очень низкую потерю сигнала.

Первоначально каждое окно использовалось для передачи одного цифрового сигнала. С развитием оптических компонентов, таких как лазеры с распределенной обратной связью (DFB), волоконные усилители на основе эрбия (EDFA) и фотодетекторы, вскоре стало понятно, что каждое передающее окно может фактически использоваться несколькими оптическими сигналами, каждый из которых занимает Небольшое сцепление с окном общей длины волны.

Фактически, количество оптических сигналов, мультиплексированных в окне, ограничено только точностью этих компонентов. Благодаря современной технологии более 100 оптических каналов могут быть объединены в одно волокно. Технология была тогда названа плотной WDM (DWDM).

Основным преимуществом DWDM является его способность экономически эффективно увеличить пропускную способность оптического волокна во много раз. Огромная сеть волокон, существующая во всем мире, может внезапно увеличить их емкость в несколько раз, без необходимости в длинных новых волокнах, что является дорогостоящим процессом. Очевидно, что к этим волокнам должно быть подключено новое оборудование DWDM. Также могут потребоваться оптические регенераторы.

Количество и частота используемых длин волн стандартизируются МСЭ (T). Используемый набор длин волн важен не только для обеспечения совместимости, но и для предотвращения разрушительных помех между оптическими сигналами.

В следующей таблице приведены номинальные центральные частоты на основе минимального разнесения каналов 50 ГГц, привязанного к эталонному значению 193,10 ТГц. Обратите внимание, что значение C (скорость света) принимается равным 2,99792458 x 108 м / с. для преобразования между частотой и длиной волны.

МСЭ-Т Grid (в пределах С-диапазона), Рек. МСЭ (T) G.692

Номинальные центральные частоты (ТГц) для разноса 50 ГГц	Номинальные центральные частоты (ТГц) для разноса 100 ГГц	Номинальные центральные длины волн (Нм)
196,10	196,10	1528,77
196,05		1529,16
196,00	196,00	1529,55
195,95		1529,94
195,90	195,90	1530,33
195,85		1530,72
195,80	195,80	1531,12
195,75		1531,51
195,70	195,70	1531,90
195,65		1532,29
195,60	195,60	1532,68
195,55		1533,07
195,50	195,50	1533,47
195,45		1533,86
195,40	195,40	1534,25
195,35		1534,64
195,30	195,30	1535,04
195,25		1535,43
195,20	195,20	1535,82
195,15		1536,22
195,10	195,10	1536,61
195,05		1537,00
195,00	195,00	1537,40
194,95		1537,79
194,90	194,90	1538,19
194,85		1538,58
194,80	194,80	1538,98
194,75		1539,37
194,70	194,70	1539,77
194,65		1540,16
194,60	194,60	1540,56
194,55		1540,95
194,50	194,50	1541,35
194,45		1541,75
194,40	194,40	1542,14
194,35		1542,54
194,30	194,30	1542,94
194,25		1543,33
194,20	194,20	1543,73
194,15		1544,13
194,10	194,10	1544,53
194,05		1544,92
194,00	194,00	1545,32
193,95		1545,72
193,90	193,90	1546,12
193,85		1546,52
193,80	193,80	1546,92
193,75		1547,32
193,70	193,70	1547,72
193,65		1548,11
193,60	193,60	1548,51
193,55		1548,91
193,50	193,50	1549,32
193,45		1549,72
193,40	193,40	1550,12
193,35		1550,52
193,30	193,30	1550,92
193,25		1551,32
193,20	193,20	1551,72
193,15		1552,12
193,10	193,10	1552,52
193,05		1552,93
193,00	193,00	1533,33
192,95		1553,73
192,90	192,90	1554,13
192,85		1554,54
192,80	192,80	1554,94
192,75		1555,34
192,70	192,70	1555,75
192,65		1556,15
192,60	192,60	1556,55
192,55		1556,96
192,50	192,50	1557,36
192,45		1557,77
192,40	192,40	1558,17
192,35		1558,58
192,30	192,30	1558,98
192,25		1559,39
192,20	192,20	1559,79
192,15		1560,20
192,10	192,10	1560,61

DWDM внутри сети

Типичная сеть SDH будет иметь два волокна на каждой стороне каждого узла: одно для передачи своему соседу и одно для приема от своего соседа .

Хотя наличие двух волокон между сайтами звучит не так уж плохо, на практике между сайтами, вероятно, будет работать много систем, даже если они не являются частью одной сети.

При использовании только двух сетей, показанных выше, теперь требуется четыре волокна между C & D, а прокладка между сайтами чрезвычайно дорогая. Это где DWDM сети вступают в игру.

Используя систему DWDM, количество волокон, необходимое между узлами C & D, сокращается до одного волокна. Современное оборудование DWDM может мультиплексировать до 160 каналов, что представляет собой значительную экономию на оптоволоконных инвестициях. Поскольку оборудование DWDM работает только с физическим сигналом, оно вообще не влияет на уровень SDH сети. Сигнал SDH не прерывается и не прерывается, если речь идет о сети SDH. Между сайтами все еще существует прямая связь.

Сети DWDM не зависят от протокола. Они переносят световые волны и не работают на уровне протокола.

DWDM-системы могут сэкономить большие суммы денег операторам сети при прокладке оптоволокна, даже больше на большие расстояния. Используя оптические усилители, можно передавать сигнал DWDM на большие расстояния.

Усилитель принимает многочастотный сигнал DWDM и просто усиливает его, чтобы достичь следующего участка.

Операционный усилитель усилит красные или синие лямбды, если он усиливает красные лямбды, он пропускает полученные синие каналы и наоборот. Для усиления в обоих направлениях требуется один из обоих типов усилителей.

Чтобы система DWDM работала удовлетворительно, длины волн, приходящих на оптический усилитель, должны быть выровнены.

Это включает в себя настройку всех входящих оптических источников в систему DWDM на одинаковые уровни оптической мощности. Длины волн, которые не были выровнены, могут показывать ошибки при переносе трафика.

Некоторые производители оборудования DWDM помогают полевым техникам измерять оптическую мощность входящих каналов и рекомендуют, какие каналы требуют регулировки мощности.

Выравнивание длин волн может быть сделано несколькими способами; Переменный оптический аттенюатор может быть установлен между рамкой управления волокном и соединителем DWDM — инженер может регулировать сигнал на стороне соединителя DWDM.

Альтернативно, исходное оборудование может иметь оптические передатчики с переменным выходом, что позволяет инженеру регулировать оптическую мощность с помощью программного обеспечения на исходном оборудовании.

Некоторые устройства связи DWDM имеют встроенные аттенюаторы для каждого полученного канала, инженер может настроить каждый канал в точке доступа DWDM.

Когда через волокно проходит множество частот света, может возникнуть состояние, известное как четырехволновое смешение. Новые длины волн света генерируются внутри волокна на длинах волн / частотах, определяемых частотой исходных длин волн. Частота новых длин волн определяется как f123 = f1 + f2 — f3.

Наличие длин волн может отрицательно повлиять на отношение оптического сигнала к шуму в волокне и повлиять на BER трафика в пределах длины волны.

WDM КОМПОНЕНТЫ

Компоненты WDM основаны на различных принципах оптики. На приведенном ниже рисунке изображен один канал WDM. DFB-лазеры используются в качестве передатчиков, по одному на каждую длину волны. Оптический мультиплексор объединяет эти сигналы в передающее волокно. Оптические усилители используются для подачи питания оптического сигнала, чтобы компенсировать системные потери.

На стороне приемника оптические демультиплексоры разделяют каждую длину волны, чтобы доставлять их на оптические приемники в конце оптической линии. Оптические сигналы добавляются в систему с помощью оптических ADM (OADM).

Эти оптические устройства эквивалентны цифровым ADM, обрабатывая и разделяя оптические сигналы вдоль пути передачи. OADM обычно изготавливаются из решетчатых волноводных решеток (AWG), хотя также использовались другие оптические технологии, такие как волоконные брэгговские решетки.

Ключевым компонентом WDM является оптический коммутатор. Это устройство способно переключать оптические сигналы с заданного входного порта на заданный выходной порт. Это эквивалент электронной перекладины. Оптические переключатели позволяют создавать оптические сети, поэтому данный оптический сигнал может быть направлен к соответствующему месту назначения.

Другим важным оптическим компонентом является преобразователь длины волны. Преобразователь длины волны — это устройство, которое преобразует оптический сигнал, приходящий на заданную длину волны, в другой сигнал на другой длине волны, поддерживая тот же цифровой контент. Эта возможность важна для сетей WDM, поскольку она обеспечивает большую гибкость при маршрутизации оптических сигналов по сети.

ОПТИЧЕСКИЕ ТРАНСПОРТНЫЕ СЕТИ

Сети WDM строятся путем соединения узлов с поперечным соединением по длине волны (WXC) в определенной топологии по выбору. WXC реализуются мультиплексорами и демультиплексорами, переключателями и преобразователями длины волны.

На следующем рисунке показана общая архитектура узла WXC.

Оптические сигналы, мультиплексированные в одном волокне, поступают в оптический демультиплексор. Сигнал разлагается на несколько несущих длин волн и отправляется в банк оптических переключателей. Оптические переключатели направляют сигналы с несколькими длинами волн в банк вывода.

Мультиплексоры, где сигналы мультиплексируются и вводятся в исходящие волокна для передачи. Преобразователи длины волны могут использоваться между оптическим коммутатором и выходными мультиплексорами, чтобы обеспечить большую гибкость маршрутизации. WXC были исследованы в течение ряда лет. Трудности с WXC — это уровень перекрестных помех и затухания.

Узел кроссовой связи по длине волны

Оптические транспортные сети (OTN) — это сети WDM, предоставляющие транспортные услуги по световым путям. Световой путь — это канал с высокой пропускной способностью, по которому передаются данные со скоростью до нескольких гигабит в секунду. Скорость прохождения света определяется технологией оптических компонентов (лазеров, оптических усилителей и т. Д.). Скорости порядка STM-16 (2488,32 Мбит / с) и STM-64 (9953,28 Мбит / с) в настоящее время достижимы.

OTN состоит из узлов WXC и системы управления, которая контролирует настройку и отключение световых трактов с помощью контрольных функций, таких как мониторинг оптических устройств (усилитель, приемники), устранение неисправностей и т. Д. Установка и разветвление световых трактов должны выполняться в течение большого промежутка времени, например часов или даже дней, учитывая, что каждый из них обеспечивает пропускную способность магистрали.

Способ развертывания OTN очень гибок в зависимости от предоставляемых транспортных услуг. Одна из причин такой гибкости заключается в том, что большинство оптических компонентов прозрачны для кодирования сигнала. Только на границе оптического слоя, где оптический сигнал должен быть преобразован обратно в электронный домен, имеет значение кодирование.

Таким образом, прозрачные оптические сервисы для поддержки различных унаследованных технологий электронных сетей, таких как SDH, ATM, IP и Frame Relay, работающих поверх оптического уровня, являются вероятным сценарием в будущем.

Оптический слой далее делится на три подслоя —

• Сеть оптического канального уровня, которая взаимодействует с клиентами OTN и предоставляет оптические каналы (OCh).

• Сеть уровня оптического мультиплексирования, которая мультиплексирует различные каналы в один оптический сигнал.

• Оптическая передающая секция сети уровня, которая обеспечивает передачу оптического сигнала по оптоволокну.

Сеть оптического канального уровня, которая взаимодействует с клиентами OTN и предоставляет оптические каналы (OCh).

Сеть уровня оптического мультиплексирования, которая мультиплексирует различные каналы в один оптический сигнал.

Оптическая передающая секция сети уровня, которая обеспечивает передачу оптического сигнала по оптоволокну.

OTN FRAME FORMAT

Аналогично использованию кадра SDH, доступ к OCh, как ожидается, будет осуществляться через кадр OC, который в настоящее время определен. Базовый размер кадра соответствует скорости STM-16 или 2488,32 Мбит / с, что составляет основной сигнал OCh. На следующем рисунке показан возможный формат кадра OCh.

Оптическая Канальная Рамка

Самая левая область кадра (показанная на рисунке ниже) зарезервирована для служебных байтов. Эти байты должны использоваться для функций OAM & P, аналогично служебным байтам кадра SDH, рассмотренным ранее.

Однако, вероятно, будут поддерживаться дополнительные функции, такие как предоставление темных волокон (резервирование длины волны между двумя конечными точками для одного пользователя) и APS на основе длины волны. Самая правая область кадра зарезервирована для схемы прямого исправления ошибок (FEC) для всех данных полезной нагрузки. FEC по оптическому передающему слою увеличивает максимальную длину пролета и уменьшает количество повторителей. Код Рида-Соломона может быть использован.

Несколько OCh должны быть мультиплексированы вместе в оптической области, чтобы сформировать сигнал оптического мультиплексора (OMS). Это параллельно мультиплексированию нескольких кадров STM-1 в формат кадра SDH STM-N. Несколько OCh могут быть мультиплексированы для формирования OMS.

Оптический сигнал клиента помещается в сигнал полезной нагрузки OCh. Сигнал клиента не ограничен форматом кадра OCh. Вместо этого сигнал клиента должен быть только цифровым сигналом с постоянной скоростью передачи данных. Его формат также не имеет отношения к оптическому слою.

WDM RINGS

Концептуально, кольцо WDM мало чем отличается от кольца SDH. WXC связаны между собой в кольцевой топологии, аналогично ADH SDH в кольце SDH. Основное архитектурное различие между кольцом SDH и кольцом WDM коренится в возможностях WXC переключения и преобразования длины волны.

Эти функции могут использоваться, например, для обеспечения уровней защиты без параллели в технологии SDH. Другими словами, может быть обеспечена защита по длине волны или пути света, в дополнение к защите пути и линии.

Оптические протоколы APS так же сложны, как и протоколы SDH APS. Защита может быть обеспечена либо на уровне OCh, либо на уровне секции оптического мультиплексирования / секции оптической передачи. Некоторые дополнительные возможности защиты могут быть реализованы без параллели в кольцах SDH. Например, неисправный путь света (например, неисправность лазера) может быть исправлен путем преобразования оптического сигнала с заданной длины волны в другую, избегая перенаправления сигнала.

Это эквивалентно переключению диапазона в SDH, с той разницей, что даже два оптоволоконных кольца WDM могут обеспечить такую ​​возможность для защиты OCh. Однако на уровне OMS для защиты пролета потребуется четыре оптоволоконных кольца, как в SDH. Эти дополнительные функции, несомненно, привнесут дополнительную сложность в протоколы APS на оптическом уровне.

Как только кольцо WDM установлено, необходимо установить световые пути в соответствии с поддерживаемым шаблоном трафика.

MESH WDM СЕТИ

Ячеистые сети WDM построены с теми же оптическими компонентами, что и кольца WDM. Однако протоколы, используемые в ячеистых сетях, отличаются от протоколов, используемых в кольцах. Например, защита в ячеистых сетях является более сложным предложением, как и проблема маршрутизации и назначения длины волны в ячеистых сетях WDM.

Ячеистые сети, вероятно, будут магистральными инфраструктурами, соединяющими кольца WDM. Ожидается, что некоторые из этих соединений будут оптическими, избегая оптических / электронных узких мест и обеспечивая прозрачность. Другие потребуют преобразования оптического сигнала в электронный домен для управления мониторингом и, возможно, для выставления счетов. На следующем рисунке показана сеть WDM.

Инфраструктура. На этом рисунке показаны три следующих слоя топологии.

• Сеть доступа
• Региональная сеть
• Магистральная сеть

Сетевая инфраструктура WDM

В качестве сетей доступа включены как кольца SDH, так и пассивные оптические сети (PON). Как правило, они основаны на шине или протоколе топологии звезды и управления доступом к среде (MAC), который используется для координации передач между пользователями. В таких сетях функции маршрутизации не предусмотрены.

Эти архитектуры удобны для сетей, поддерживающих не более нескольких сотен пользователей на небольших расстояниях. Хотя PON являются менее дорогими сетями, чем кольца WDM, из-за отсутствия активных компонентов и таких функций, как маршрутизация по длине волны, необходимые для источников PON лазеры делают первое поколение такого оборудования еще более дорогим, чем кольца SDH. Это благоприятствует решению SDH на уровне сети доступа, по крайней мере, в ближайшем будущем.

Магистральные сети содержат активные оптические компоненты, что обеспечивает такие функции, как преобразование длины волны и маршрутизация. Магистральные сети должны будут каким-то образом взаимодействовать с унаследованными транспортными технологиями, такими как ATM, IP, PSTN и SDH.

Общий сценарий изображен на следующем рисунке. Несколько типов интерфейса задействованы на рисунке.

Наложение транспортной сети WDM, несущей трафик ATM / IP.

Инкапсуляция кадров SDH

Кадр OCh должен быть определен так, чтобы можно было легко выполнить инкапсуляцию кадра SDH. Например, весь STM-16xc должен передаваться как полезная нагрузка OCh. Если используется базовый оптический канал STM-16, возможно, будет невозможно инкапсулировать SDH-16xc в оптический канал STM-16 из-за байтов служебной информации OCh.

Формат кадра OCh в настоящее время определяется. На следующем рисунке показан пример инкапсуляции кадра SDH в кадр OCh.

Интерфейсы SDH к WDM

Оборудование WDM с физическими интерфейсами SDH доставляет оптические сигналы на устройства SDH. Эти интерфейсы должны быть для обратной совместимости с технологией SDH. Следовательно, устройству SDH не нужно знать о технологии WDM, используемой для передачи своего сигнала (например, устройство может принадлежать кольцу BLSR / 4).

В этом случае WXC сбросит и добавит в оптический носитель длину волны, первоначально использованную в кольце SDH. Таким образом, уровни WDM и SDH полностью разъединяются, что необходимо для совместимости WDM с устаревшим оборудованием SDH.

Это накладывает дополнительные ограничения на выбор длин волн в оптическом слое, поскольку длина волны последнего скачка, которая взаимодействует с устройством SDH, должна быть той же самой, которая используется устройством SDH для завершения оптического пути, если преобразование длины волны не предусмотрено в устройстве SDH.

WDM Link

	Технология	обнаружение	восстановление	подробности
WDM	WDM-OMS / ОСН	1-10ms	10-30ms	Кольцо / PP
SDH	SDH	0,1 мс	50мс	Кольцо
	APS 1 + 1	0,1 мс	50мс	PP
Банкомат	FDDI	0,1 мс	10мс	Кольцо
	STM	0,1 мс	100мс
	Банкомат PV-C / P 1 + 1	0,1 мс	10msxN	Резервный N = # прыжков
	Банкомат ПННИ СПВ-С / П, СВ-С / П	40s	1-10s
IP	Протокол пограничного шлюза	звука 180 мс	10-100s
	Протокол внутренней маршрутизации шлюза и E-OSPF	40s	1-10s
	Промежуточная система	40s	1-10s
	Маршрутизация интернет-протокола	180s	100s

Согласно приведенной выше таблице, хотя восстановление в WDM происходит быстрее, чем в технологии SDH, обнаружение сбоев в WDM происходит медленнее. Безопасное наложение механизмов защиты WDM / SDH требует более быстрой схемы защиты WDM. В качестве альтернативы, SDH APS могут быть искусственно замедлены, если клиенты SDH могут позволить себе снижение производительности, вызванное такими процедурами.

Ненужное восстановление после сбоя на более высоких уровнях может вызвать нестабильность маршрута и заторы на дорогах; следовательно, этого следует избегать любой ценой. Проверки сохраняемости неисправностей могут использоваться на более высоких уровнях, чтобы избежать ранней реакции на неисправности на более низких уровнях.

Восстановление после отказа на подуровне OMS может заменить процедуры восстановления нескольких экземпляров сигналов SDH, обслуживаемых оптическим уровнем. Таким образом, потенциально большое количество клиентов SDH защищены от запуска процедур восстановления после сбоя на своих уровнях. Следовательно, восстановление одного отказа на оптическом подуровне OMS может сэкономить сотни.

Эволюция в направлении полностью оптической транспортной сети

Эволюция в направлении полностью оптической сети WDM, вероятно, будет происходить постепенно. Во-первых, устройства WXC будут подключены к существующим волокнам. В оптической линии связи могут потребоваться некоторые дополнительные компоненты, такие как EDFA, чтобы сделать устаревшие оптоволоконные линии связи подходящими для технологии WDM. WXC будут взаимодействовать с устаревшим оборудованием, таким как SDH и оптоволоконный интерфейс передачи данных (FDDI).

Плюс полностью оптической прозрачной транспортной сети заключается в том, что передача функций SDH на SDH уровня выше (IP / ATM) или ниже (WDM), вероятно, приведет к экономии с точки зрения возможности модернизации и обслуживания сети. Такая реорганизация уровня может повлиять на транспортные сети, предполагая, что трафик в реальном времени, включая речевой, пакетирован (IP / ATM). Это может привести к исчезновению сигналов SDH VC.

Тогда ключевым вопросом будет то, как наиболее эффективно упаковать пакеты в SDH или даже непосредственно в кадры OCh. Каким бы ни был новый метод инкапсуляции, обязательна обратная совместимость с IP / PPP / HDLC и инкапсуляцией ATM.

NGN — Микро Электромеханические Системы

DWDM использует набор оптических длин волн (или каналов) около 1553 нм с разносом каналов 0,8 нм (100 ГГц), каждая длина волны может передавать информацию до 10 Гбит / с (STM 64). Более 100 таких каналов могут быть объединены и переданы по одному волокну. Предпринимаются усилия для дальнейшего сжатия каналов и увеличения скорости передачи данных в каждом канале.

Экспериментально передача 80 каналов, каждый из которых передает 40 Гбит / с (эквивалентно 3,2 Тбит / с) по одному волокну, была успешно протестирована на длине 300 км. Развертывание двухточечной и кольцевой оптической DWDM-сети требует нового типа сетевых элементов, которые могут манипулировать сигналами в процессе работы без дорогостоящего преобразования OEO. Оптические усилители, фильтры, оптические аддитивные мультиплексоры, демультиплексоры и оптические перекрестные соединения являются одними из важных элементов сети. MEMS играет важную роль в проектировании и разработке таких элементов сети.

MEMS является аббревиатурой от Micro Electro Mechanical Systems. Он используется для создания ультра-миниатюрных устройств, имеющих размеры от нескольких микрон до пары сантиметров в поперечнике. Они очень похожи на микросхемы, но с возможностью интеграции движущихся механических частей на одной подложке.

MEMS технология имеет свои корни в полупроводниковой промышленности. Они изготовлены с использованием процесса серийного изготовления, аналогичного СБИС. Типичная MEMS представляет собой интегрированную микросистему на чипе, которая может включать в себя движущиеся механические части в дополнение к электрическим, оптическим, жидкостным, химическим и биомедицинским элементам.

Функционально MEMS включает в себя множество транссудационных механизмов для преобразования сигналов из одной формы энергии в другую.

Множество различных типов микродатчиков и микроприводов могут быть интегрированы с обработкой сигналов, оптическими подсистемами и микрокомпьютерами для формирования полноценной функциональной системы на чипе. Характерной способностью MEMS является включение движущихся механических частей на одну и ту же подложку.

Благодаря небольшому размеру MEMS можно использовать в местах, где механические устройства практически невозможно установить; например, внутри кровеносного сосуда человеческого тела. Время переключения и отклика MEMS-устройств также меньше, чем у обычных машин, и они потребляют меньше энергии.

Применение MEMS

Сегодня МЭМС находят применение во всех сферах. Телекоммуникации, биологические науки и датчики являются основными бенефициарами. МЭМС-датчики движения, ускорения и напряжения широко используются в самолетах и ​​космических кораблях для повышения безопасности и надежности. Спутники Пико (весом около 250 г) разрабатываются в качестве устройств для осмотра, связи и наблюдения. Они используют системы на основе MEMS в качестве полезной нагрузки, а также для их орбитального контроля. MEMS используются в соплах струйных принтеров и головках чтения / записи жестких дисков. Автомобильная промышленность использует MEMS в «системах впрыска топлива» и датчиках подушек безопасности.

Инженеры-разработчики внедряют MEMS в свои новые конструкции, чтобы повысить производительность своих продуктов. Это снижает стоимость производства и время. Интеграция нескольких функций в MEMS обеспечивает более высокую степень миниатюризации, меньшее количество компонентов и повышенную надежность.

Дизайн и технологии изготовления

За последние несколько десятилетий полупроводниковая индустрия достигла зрелости. Разработка MEMS в значительной степени выигрывает от этой технологии. Первоначально методы и материалы, использованные для проектирования и изготовления интегральных микросхем (IC), были заимствованы непосредственно для разработки MEMS, но в настоящее время разрабатывается много специфических для MEMS технологий изготовления. Микрообработка поверхности, объемная микрообработка, глубокое реактивное ионное травление (DRIE) и микроформование являются одними из передовых технологий изготовления MEMS.

Используя метод микрообработки , различные слои поликремния, обычно толщиной 1-100 мм, наносятся для формирования трехмерной структуры, содержащей металлические проводники, зеркала и изоляционные слои. Точный процесс травления избирательно удаляет подчеркивающую пленку (жертвенный слой), оставляя перекрывающую пленку, называемую структурным слоем, способным к механическому перемещению.

Поверхностная микрообработка используется для производства различных MEMS-устройств в промышленных объемах. Слои поликремния и металла можно увидеть до и после процесса травления.

Массовая микрообработка является еще одним широко используемым процессом для формирования функциональных компонентов для MEMS. Монокристаллический кремний имеет структуру и форму для формирования высокоточных трехмерных деталей, таких как каналы, шестерни, мембраны, сопла и т. Д. Эти компоненты интегрированы с другими деталями и подсистемами для создания полностью функциональных MEMS.

Некоторые стандартизированные строительные блоки для обработки MEMS и компонентов MEMS являются многопользовательскими процессами MEMS (MUMP). Это основа платформы, которая ведет к прикладному подходу к MEMS, очень похожему на прикладной подход (ASIC), который был настолько успешным в индустрии интегральных микросхем.

Все оптические сети DWDM и MEMS

Перед сегодняшними экспертами в области электросвязи стоит беспрецедентная задача по размещению постоянно расширяющегося спектра услуг с высокой пропускной способностью в сетях электросвязи. Потребность в полосе пропускания экспоненциально увеличивается из-за расширения Интернета и интернет-услуг. Появление плотного мультиплексирования с разделением по длине волны (DWDM) устранило этот технологический дефицит и в целом изменило экономику базовой оптической сети.

DWDM использует набор оптических длин волн (или каналов) около 1553 нм с разносом каналов 0,8 нм (100 ГГц), каждая длина волны может передавать информацию до 10 Гбит / с (STM 64). Более 100 таких каналов могут быть объединены и переданы по одному волокну. Предпринимаются усилия для дальнейшего сжатия каналов и увеличения скорости передачи данных в каждом канале.

Экспериментально, передача 80 каналов, каждый из которых несет 40 Гбит / с (эквивалентно 3,2 Тбит / с) по одному волокну, была успешно протестирована на длине 300 км. Развертывание двухточечной и кольцевой оптической DWDM-сети требует нового типа сетевых элементов, которые могут манипулировать сигналами в процессе работы без дорогостоящего преобразования OEO. Оптические усилители, фильтры, оптические аддитивные мультиплексоры, демультиплексоры и оптические кросс-коммутаторы являются одними из основных элементов сети. MEMS играет важную роль в проектировании и разработке таких элементов сети. Мы обсудим Optical Add Drop Mux (OADM) и Optical Cross Connect (OXC) в деталях.

Прорыв в оптическом переключении

Ученые из Bell Labs в 1999 году продемонстрировали практичный оптический переключатель на основе MEMS. Он функционирует как качающийся стержень с позолоченным микроскопическим зеркалом на одном конце. Электростатическая сила тянет другой конец стержня вниз, поднимая зеркало, которое отражает свет под прямым углом. Поступающий свет, таким образом, перемещается из одного волокна в другое.

Технологический успех на самом деле является строительным блоком различных устройств и систем, таких как мультиплексоры ввода / вывода с длиной волны, оптические переключатели инициализации, оптическое перекрестное соединение и эквалайзеры сигналов WDM.

Оптический мультиплексор Add Drop

Подобно кольцевым сетям SDH / SONET, полностью оптические сети на основе DWDM начинают набирать обороты. Превосходство кольцевой сети над ячеистой сетью уже было установлено разработчиками сетей SDH. В полностью оптическом кольце полосы пропускания (ls) могут быть зарезервированы для целей защиты. Оптические мультиплексоры ввода-вывода (OADM) функционально аналогичны мультиплексорам ввода-вывода SDH / SONET (ADM). Группа выбранных длин волн (ls) может быть добавлена ​​или удалена из многоволнового светового сигнала. OADM исключает дорогостоящее преобразование OEO (оптическое в электрическое и обратно).

Двумерная матрица оптических переключателей, как описано выше, используется для изготовления таких OADM, которые обеспечивают очень небольшую гибкость. Переконфигурируемый Add Drop Multiplexers (R-OADM), с другой стороны, обеспечивает полную гибкость. Любой канал, проходящий через, может быть доступен, удален или могут быть добавлены новые каналы. Длина волны определенного канала может быть изменена, чтобы избежать блокировки. Оптические переключатели или OADM такого типа известны как двумерные или N2-переключатели, потому что количество требуемых переключающих элементов равно квадрату количества портов, и потому что свет остается только в плоскости двух измерений.

Для восьмипортового OADM требуется 64 отдельных микрозеркала с управлением на устройстве MEMS. Это очень похоже на «поперечные» переключатели, используемые на телефонных станциях.

Оптические переключатели такого типа прошли строгие механические и оптические испытания. Средняя вносимая потеря составляет менее 1,4 дБ с превосходной повторяемостью ± 0,25 дБ в течение 1 миллиона циклов. OADM типа 2D / N2 с конфигурацией больше 32 × 32 (1024 переключающихся зеркала) становятся практически неуправляемыми и неэкономичными. Несколько слоев меньших коммутационных тканей используются для создания больших конфигураций.

Оптический кросс-коннект

Ограничение оптического переключателя 2D-типа было преодолено инновационной технологией оптической коммутации, разработанной Bell Labs. Он широко известен как «3-D MEMS свободного пространства» или «Управление лучом света» . Он использует серию двухосного микро-зеркала в качестве оптического переключателя. Микрозеркало установлено на одной из осей из набора поперечно соединенных карданных колец с помощью набора торсионных пружин. Такое расположение позволяет зеркалу перемещаться вдоль двух перпендикулярных осей под любым желаемым углом. Зеркало приводится в действие электростатической силой, приложенной в четырех квадрантах под зеркалом. Весь микрозеркальный блок реплицируется с использованием технологии MEMS для формирования «коммутационной матрицы» из 128 или 256 микрозеркал.

Массив коллимированных входных волокон выровнен с набором зеркал, которые могут перенаправить свет, наклонив зеркало по оси X и Y ко второму набору зеркал, выровненных с коллимированными выходными волокнами. Благодаря точному нацеливанию набора зеркал на входное и выходное волокно можно получить желаемое световое соединение. Этот процесс называется «управление лучом света».

Время переключения 3D MEMS-переключателя составляет менее 10 мс, а микрозеркала чрезвычайно стабильны. Оптические перекрестные соединения, основанные на этой технологии, предлагают различные уникальные преимущества по сравнению с перекрестными соединениями типа OEO. OXC отличаются высокой пропускной способностью, масштабируемостью, скоростью передачи данных и независимостью от формата данных. Он интеллектуально маршрутизирует оптические каналы без дорогостоящего преобразования OEO. Низкая занимаемая площадь и энергопотребление являются дополнительными преимуществами полностью оптической технологии коммутации.

NGN — СОРТЫ WDM

Ранние системы WDM транспортировали две или четыре длины волны, которые были широко разнесены. WDM и «последующие» технологии CWDM и DWDM развились далеко за пределы этого раннего ограничения.

WDM

Традиционные пассивные системы WDM широко распространены, при этом количество каналов 2, 4, 8, 12 и 16 является нормальным. Этот метод обычно имеет ограничение расстояния менее 100 км.

CWDM

Сегодня грубый WDM (CWDM) обычно использует 20-нм интервал (3000 ГГц) до 18 каналов. В Рекомендации CWDM МСЭ-T G.694.2 представлена ​​сетка длин волн для целевых расстояний до около 50 км по одномодовым волокнам, как указано в Рекомендациях МСЭ-Т G.652, G.653 и G.655. Сетка CWDM состоит из 18 длин волн, определенных в диапазоне от 1270 до 1610 нм с интервалом в 20 нм.

DWDM

Плотный общий разнос WDM может составлять 200, 100, 50 или 25 ГГц, при этом количество каналов достигает 128 или более каналов на расстояниях в несколько тысяч километров с усилением и регенерацией по такому маршруту.