Articles

 Tehnologia CWDM/DWDM

Optimizarea comunicaţiilor prin fibre optice, printr-o utilizare mai eficientă a devenit principala preocupare în ultimii ani, din cauza necesităţii de creştere a a traficului in reţea, atât în volum cât şi în viteză de transmisie a datelor.

Costul ridicat al instalarii şi operarii de noi reţele de comunicaţii, recomandă ca o soluţie utilizarea optimă a infrastructurii existente.
Dezvoltarea transportului în domeniul telecom caută noi soluţii pentru a extinde canalele de comunicare prin multiplexare.
CWDM şi DWDM două tehnologii care s-au dezvoltat foarte repede în ultimii 10 ani, au devenit accesibile şi pot fi implementate în reţelele de fibră optică de comunicaţii, ca o investiţie de eficienţă incontestabilă.

CWDM: cost mai redus pentru capacitate mai mare de transmisie

Tehnologia CWDM – Coarse Wavelength-Division Multiplexings-acomercializat incepand cu anii 1980, pentru transportul canalelor multiple de comunicatii cu latimea de banda de 25 nm in fereastra 850nm, folosita in retele de tip LAN. La acel moment, tehnologia era numita simplu WDM (Wavelength Division Multiplexing), iar printre aplicatii se numarau transmisiuni distribuite video, bidirectionale si transmiterea de informatii de control si telemetrie in timp real pe o singura fibra optica.

La mijlocul anilor '90, tehnologia WDM devine din ce in ce mai folosita, deoarece ofera peste 80 de lungimi de unda cu spatii dense, in fereastra de 1550nm. Numita si banda conventionala sau banda C (1530-1565nm), aceasta fereastra a fost preferata deoarece asigura atenuarea scazuta a semnalului optic pe fibra si pentru ca puteau fi folosite amplificatoare cu fibra dopata cu Erbium (EDFA).

In urma dezvoltarii de noi produse pentru piata de comunicatii pe lunga distanta, a fost nevoie de folosirea unui alt termen, alternativ, pentru a diferentia latimile de banda si benzile de comunicatii.

Termenul Coarse WDM (CWDM) a fost adoptat si folosit intensiv incepand cu 1996 pentru a diferentia vechiile tehnologii WDM, de cele in continua dezvoltare CWDM. Incepand cu anii 2000, tehnologia CWDM s-a dezvoltat pentru aplicatii LAN, iar la scurt timp a patruns si in domeniul retelelor metropolitane.

Quante Corp. a comercializat un sitem cu fereastra de 800nm si patru canale a cate 140 Mb/sec fiecare. Aceste sisteme au fost folosite initial pentru transmisii ale semnalelor TV. Cu toate acestea, sistemele CWDM nu au generat un interes semnificativ in randul furnizorilor de servicii de comunicatii – pana acum.

Odata cu nevoile transportatorilor metro de a gasi solutii de transmitere mai ieftine, sitemul CWDM este din ce in ce mai acceptat ca si o importanta solutie arhitecturala de transport.

CWDM si DWDM

Spre deosebire de DWDM, sistemele CWDM s-au dezvoltat pe baza laserelor neraciteDFB - Distributed Feedback Lasers.Aceasta tehnologie vine cu cateva avantaje deloc de neglijat cum ar fi consum minim de energie, dimensiuni mai mici si costuri mult mai reduse.Disponibilitatea comerciala a sistemelor CWDM ce ofera beneficiile mentionate mai sus fac din ea o alternativa viabila pentru solutiile DWDM pentru aplicatiile metro si de acces.

Latimea de banda a legaturilor de fibre optice poate fi marita prin transmiterea de date mult mai rapid sau transmiterea de multiple lungimi de unda printr-un singura fibra folosind metoda cunoscuta sub numele de WDM. Tehnologia Wavelength Division Multiplexing consta in folosirea de multiplexoare pentru a combina lungimi de unda care circula din mai multe fibre spre una singura. La capatul receptorului de legatura, un demultiplexor separa lungimile de unda si le fixeaza in diferite fibre, fibre ce au terminatia in receivere diferite (a se vedea in Figura 2.1). Spatiile dintre lungimile de unda individuale transmise prin aceeasi fibra ofera baza definirii solutiilor DWDM si CWDM.(a.s.v. Figura 2.2).

Figura 2.1: WDM se realizeaza prin folosirea unui multiplexor pentru combinarea lungimilor de unda ce se transmit de la mai multe firbre spre una singura. La capatul receptorului de legatura un demultiplexor separa lungimile de unda si la fixeaza pe diverse fibre.

Sitemele DWDM deobicei folosesc una din cele trei solutii de separare a lungimilor de unda:200 GHz (1.6 nm) / 100 GHz (0.8 nm) / 50 GHz (0.4 nm)

Sistemele viitoare sunt proiectate pentro a avea un spatiu si mai ingust. Lungimile de unda operationale a sistemelor DWDM sunt definite conform standardelor actuale ale frecventelor/lungimilor de unda.

Fig. 2.2 Spatiul dintre lungimile de unda individuale sunt transmise prin aceias fibra ofera baza definirii solutiilor DWDM si bineinteles WDM (CWDM). Spatiul standard in sitemele CWDM este de 20 nm, in timp ce majoritatea sitemelor DWDM astazi este de 0.8-nm (100-GHz).

Ambele arhitecturi de spatiere (rara si densa) utilizeaza sitemul DFB. Insa sistemele DWDM necesita lasare reci DFB mai mari deoarece lungimea de unda a laserului semi-conductor fluctueaza cu aproape 0.08 nm / 1°C.

Lasere DFB reci stabilizeaza abaterea lungimilor de unde in afara canalelor filtrelor multiplexoarelor si demultiplexoarelor atunci cand temperatura fluctueaza in sistemele DWDM.

Pe de alta parte, sistemele CWDM , folosesc lasare DFB normale. Aceste sisteme functioneaza de la 0 la 70°C unde lungimea de unda fluctueaza cu aprox. 6 nm peste camp. Aceasta fluctuatie de lungime de unda cuplata cu variatia laserului pana la ±3 nm (datorita proceselor de fabricare a laserelor). Distanta canalului optic trebuie sa fie destul de lata sa poata gazdui variatia lungimii de unda a laserului neracit a sistemului CWDM.(a.s.v Figura 2.3). Spatiul canalului in acest sistem este de 20nm si cu o latime de banda de 13nm.

Fig. 2.3 Cursurile laserelor WDM fluctueaza in lungimile de unda neracite la o rata de aprox.0.08 nm/°C.

Hardware mult mai ieftin

Diferenta de cost intre sistemele CWDM si cele DWDM poate fi atribuita costurilor de hardware si de operare.

In timp ce laserele DWDM sunt mult mai scumpe decat cele CWDM, laserul racit DFB ofera solutii eficiente de pret pentru solutii de transport pe distanta scurta si inele metro ce necesita o mai mare capacitate. In ambele aplicatii, costul sitemelor DWDM este amortizat de numarul mare de clienti ce sunt deserviti de aceste sisteme.

Pe de alta parte, retelele metro-access necesita un cost mai scazut si o capacitate mai mica pentru a satisface cerintele pietei, bazandu-se in mare masura pe disponibilitatea clientului de a plati pentru serviciile broad-band.

Pretul modului DWDM de obicei este de patru-cinci ori mai mare decat cel al modulului CWDM, diferenta fiind atribuita unor factori ce tin de lasere. Durata de viata mult mai mare a laserului DWDM in comparatie cu cea a CWDM, este esentiala. Toleranta tipica a lungimilor de unda a laserelor DWDM este de ±0.1 nm, unde toleranta pentru laserele CWDM este de ±2-3 nm. De asemenea, diferenta de cost dintre multiplexoarele si demultiplexoarele DWDM si CWDM contribuie la un cost general mai mic, in favoarea CWDM. Filtrele CWDM sunt mult mai ieftine de fabricat decat cele de DWDM datorita straturilor mai putine. In mod standard sunt aproximativ 150 de straturi ce alcatuiesc filtrele de 100-GHz DWDM, pe cand cele CWDM au doar 50 de straturi la filtre. Acest lucru duce la fabricarea in masa a filtrelor CWDM. La fabricarea aparatelor CWDM cu trei porturi, toleranta de aliniere este relativ mai relaxata decat la aparatele DWDM, acesta fiind un alt motiv pentru care aparatele CWDM sunt cu mult mai ieftine.(a.s.v Figura 3.1).

Fig. 3.1 Designul filtrului WDM (CWDM) foloseste mai putine straturi iar toleranta la aliniere este mult mai relaxata fata de cele DWDM ceea ce duce la un pret mult mai scazut de fabricare a CWDM.

Costul filtrului CWDM este cu aprox. 50% mai mic decat cel al filtrului DWDM si se prognozeaza ca va mai scadea in urmatorii trei ani datorita automatizarii liniei de fabricatie. Implementarea noului filtru si a tehnologiei de multiplexare/demultiplexare va reduce pretul si mai mult.

Alimentare

Costurile operationale a sistemului de transport optic CWDM / DWDM depind de mentenanta si alimentare.

In timp ce pretul de mentenanta este acceptabil atat pentru CWDM cat si pentru DWDM, costul criteriilor de alimentare pentru DWDM este semnificativ mai mare. De exemplu, lasarele DWDM sunt stabilizate termic cu coolere Peltier integrate in pachetul lor de module. Coolerul impreuna cu monitorul si circuitul de control consuma 4W pe lungime de unda. In timp ce transmitatoarele laserului CWDM neracit folosesc doar 0.5W.

In timp ce numarul lungimilor de unda creste, apar fenomene de disipare a puterii de transmisie si de reglare a temperaturii pentru sistemele DWDM, ceea ce constuie o mare problema pentru designerii de placi de baza.

Cu cat cerintele de alimentare sunt mai mici folosinduse lasarele neracite ale sistemului CWDM cu atat implicatiile financiare devin pozitive pentru operatorii de sistem. De exemplu, trebuie luat in considerare costul redicat al bateriei de backup pentru transportul echipamentelor. Minimalizand puterea de alimentare si costurile asociate de backup si mentenanta, in cat mai mare masura, se reduc costurile operationale ale solutiei.

Dimensiuni

Lasarele CWDM sunt cu mult mai mici decat cele DWDM. Lasarele neracite sunt construite dintr-un monitor fotodioda montat intr-o carcasa de metal sigilata ermetic si cu o fereastra din sticla. Aceste carcase sunt aliniate cu o fibra de tip pigtail sau maneca de aliniere ce accepta un connector, formand un pachet cilindric denumit transmitter optical subassembly (TOSA).

Un laser TOSA tipic are aprox. 2cm in lugime si 0.5cm in diametru. Lasarele racite se gasesc in pachete de tip fluture sau dual inline si contin monitor fotodioda, thermister si cooler Peltier. Aceste lasare sunt de 4cm lungime, 2cm inaltime si 2cm latime. Aceste aparate sunt mai tot timpul conectate cu pigtail-uri, necesitand fibre management, un radiator cu monitor corespunzator si circuite de control. Dimesiunea transmitatorului laserului DWDM ocupa cam de 5 ori mai mult spatiu decat cel a transmitatorului CWDM, 100cm² in comparatie cu transmitatorul CWDM 20cm².

Fiabilitate

Fiabilitatea laserelor DFB folosite in sitemele de transport DWDM si CWDM s-a dovedit excelenta in ambele tipuri de lasere (racite sau neracite). Diferenta dintre cele doua tipuri de lasere este numarul in plus de componente electronice asociate in cazul laserelor DWDM. Totusi , nu exista nici o informatie importanta in ceea ce priveste diferenta de fiabilitate intre cele doua sisteme. Analize viitoare ar putea aduce alte argumente.

Lungimi de unda

Momentan sunt disponibile sistemele CWDM ce suporta 2 pana la 8 lungimi de unda. In viitor, este de asteptat ca acestea sa poata suporta pana la 16 lungimi de unda (1290-1610-nm). Majoriatea sitemelor CWDM sunt cu distantele intre canale de 1470 pana 1610 nm si ceva ameliorari in jurul ferestrei de 1300nm.

Lungimile de unda din regiunea undei de 1400nm sufera mari pierderi de semnal optic datorita apei reziduale prezenta in fibrele instalate. In timp ce aceasta pierdere scad performantele sistemului totusi nu prezinta un obstacol major in calea implementarii sistemelor CWDM.

Standarde

S-a constituit o organizatie ce incerca sa defineasca sandardele pentru sistemele CWDM - Commercial Interest Group (1400 CIG), ai carei membri sunt furnizorii de echipamente, distribuitori de sisteme si furnizori de servicii. Obiectivul grupului este in primul rand sa defineasca graficul lungimilor de unda CWDM si sa compare arhitectura sistemelor DWDM si CWDM din punct de vedere cost/performanta.

Figura 8.1 Graficul lungimilor de unda standard WDM.

Graficul lungimilor de unda CWDM luat in considerare este impartit in 3 benzi:

O-band (1,290, 1,310, 1,330 si 1,350 nm.) – Original (cu fereastra standard 1,310 nm)

E-band (1,380, 1,400, 1,420 si 1,440 nm.) - Extended

S+C+L-band (8 lungimi de unda din 1,470 -1,610 nm. in 20 nm. ) – Scurte, Conventionale si Lungi

Aceste lungimi de unda au avantajul intregului spectru de fibra optica incluzand si sursele optice de 1,310, 1,510, and 1,550 nm, in timp ce isi maximalizeaza numarul de canale.

Impartirea la 20 nm a canalului aduce un cost mai mic pentru componente prin folosirea laserului ne racit si filtrelor wideband. De asemenea evita pierderile majore la 1270 nm si mentine un spatiu de 30 nm pentru o mai buna izolatie a benzilor de transmisie.(a.s.v Figura 8.1).

Standardele si dezvoltarea sistemului CWDM vine intr-un moment critic pentru providerii de metro-acces. Cum cerintele pentru latimea benzii este impinsa spre limitele retelei, nevoia pentru costuri mici de tranport a retelei este imperativa.

Tehnologia CWDM raspunde acestor cerinte, oferind solutii arhitecturale scalare pentru retelele de comunicatii.