NGN - Tecnologia WDM
WDM é uma tecnologia que permite que vários sinais ópticos sejam transmitidos por uma única fibra. Seu princípio é essencialmente o mesmo da multiplexação por divisão de frequência (FDM). Ou seja, vários sinais são transmitidos usando diferentes portadoras, ocupando partes não sobrepostas de um espectro de frequência. No caso do WDM, a banda do espectro utilizada está na região de 1300 ou 1550 nm, que são duas janelas de comprimento de onda nas quais as fibras ópticas apresentam perda de sinal muito baixa.
Inicialmente, cada janela foi usada para transmitir um único sinal digital. Com o avanço dos componentes ópticos, como lasers de feedback distribuído (DFB), amplificadores de fibra dopada com érbio (EDFAs) e fotodetectores, logo percebeu-se que cada janela de transmissão poderia de fato ser usada por vários sinais ópticos, cada um ocupando um pequena tração da janela de comprimento de onda total disponível.
Na verdade, o número de sinais ópticos multiplexados em uma janela é limitado apenas pela precisão desses componentes. Com a tecnologia atual, mais de 100 canais ópticos podem ser multiplexados em uma única fibra. A tecnologia foi então nomeadadense WDM (DWDM).
A principal vantagem do DWDM é seu potencial para aumentar em muitas dobras a largura de banda da fibra óptica de maneira econômica. A grande rede de fibras que existe ao redor do mundo pode repentinamente ter sua capacidade multiplicada por múltiplos, sem a necessidade de novas fibras longas, um processo caro. Obviamente, novos equipamentos DWDM devem ser conectados a essas fibras. Além disso, podem ser necessários regeneradores ópticos.
O número e a frequência dos comprimentos de onda a serem usados estão sendo padronizados pelo ITU (T). O conjunto de comprimento de onda usado é importante não apenas para interoperabilidade, mas também para evitar interferência destrutiva entre sinais ópticos.
A tabela a seguir fornece frequências centrais nominais baseadas em 50 GHz, espaçamento mínimo de canal ancorado na referência de 193,10 THz. Observe que o valor de C (velocidade da luz) é considerado igual a 2,99792458 x 108 m / seg. para converter entre frequência e comprimento de onda.
O ITU-T Grid (dentro da banda C), ITU (T) Rec. G.692
| Frequências centrais nominais (THz) para espaçamento de 50 GHz | Frequências centrais nominais (THz) para espaçamento de 100 GHz | Comprimentos de onda centrais nominais (Nm) |
|---|---|---|
| 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 dentro da rede
Uma rede SDH típica terá duas fibras em cada lado de cada nó, uma para transmitir ao seu neighbor on e um para receber de seu neighbor on.
Embora ter duas fibras entre um site não soe tão ruim, na prática provavelmente haverá muitos sistemas em execução entre sites, embora eles não façam parte da mesma rede.
Com apenas as duas redes mostradas acima, quatro fibras agora são necessárias entre os locais C e D, e colocar entre os locais é extremamente caro. É aqui que entram as redes DWDM.
Usando um sistema DWDM, a quantidade de fibras necessária entre os locais C e D é reduzida a uma única fibra. O equipamento DWDM moderno pode multiplexar até 160 canais, representando uma enorme economia no investimento em fibra. Como o equipamento DWDM funciona apenas com o sinal físico, ele não afeta a camada SDH da rede. O sinal SDH não é finalizado ou interrompido, no que diz respeito à rede SDH. Ainda existe uma conexão direta entre os sites.
As redes DWDM são independentes de protocolo. Eles transportam comprimentos de onda de luz e não operam na camada de protocolo.
Os sistemas DWDM podem economizar grandes quantias de dinheiro das operadoras de rede ao instalar fibra, ainda mais em longas distâncias. Usando amplificadores ópticos, é possível transmitir um sinal DWDM para longas distâncias.
Um amplificador recebe um sinal DWDM de vários comprimentos de onda e simplesmente o amplifica para alcançar o próximo local.
Um op-amp amplificará os lambdas vermelhos ou azuis; se estiver amplificando os lambdas vermelhos, retirará os canais azuis recebidos e vice-versa. Para amplificar em ambas as direções, um dos dois tipos de amplificador é necessário.
Para que o sistema DWDM opere de forma satisfatória, os comprimentos de onda de entrada para o amplificador óptico devem ser equalizados.
Isso envolve definir todas as fontes ópticas de entrada para o sistema DWDM com níveis de potência óptica semelhantes. Os comprimentos de onda que não foram equalizados podem mostrar erros ao transportar tráfego.
Alguns fabricantes de equipamentos DWDM auxiliam os técnicos de campo medindo as potências ópticas dos canais de entrada e recomendando quais canais requerem ajuste de potência.
Equalizar os comprimentos de onda pode ser feito de várias maneiras; Um atenuador óptico variável pode ser instalado entre a estrutura de gerenciamento de fibra e o acoplador DWDM - um engenheiro pode ajustar o sinal no lado do acoplador DWDM.
Alternativamente, o equipamento de origem pode ter transmissores óticos de saída variável, o que permite que um engenheiro ajuste a potência ótica por meio de software no equipamento de origem.
Alguns acopladores DWDM têm atenuadores embutidos para cada canal recebido, um engenheiro pode ajustar cada canal no ponto de acesso DWDM.
Quando múltiplas frequências de luz viajam através de uma fibra, uma condição conhecida como mistura de quatro ondas pode ocorrer. Novos comprimentos de onda de luz são gerados dentro da fibra em comprimentos de onda / frequências determinadas pela frequência dos comprimentos de onda originais. A frequência dos novos comprimentos de onda é dada por f123 = f1 + f2 - f3.
A presença dos comprimentos de onda pode afetar adversamente a relação sinal / ruído óptico dentro da fibra e afetar o BER do tráfego dentro de um comprimento de onda.
COMPONENTES WDM
Os componentes WDM são baseados em vários princípios ópticos. A figura abaixo mostra um único link WDM. Lasers DFB são usados como transmissores, um para cada comprimento de onda. Um multiplexador óptico combina esses sinais na fibra de transmissão. Os amplificadores ópticos são usados para aumentar a potência do sinal óptico, para compensar as perdas do sistema.
No lado do receptor, desmultiplexadores ópticos separam cada comprimento de onda, para serem entregues aos receptores ópticos no final do link óptico. Os sinais óticos são adicionados ao sistema pelos ADMs óticos (OADMs).
Esses dispositivos ópticos são equivalentes aos ADMs digitais, organizando e dividindo os sinais ópticos ao longo do caminho de transmissão. Os OADMs geralmente são feitos de grades de guia de ondas em matriz (AWG), embora outras tecnologias ópticas, como grades de fibra, também tenham sido usadas.
Um componente chave do WDM é o switch ótico. Este dispositivo é capaz de comutar sinais ópticos de uma determinada porta de entrada para uma determinada porta de saída. É o equivalente a uma barra transversal eletrônica. Os interruptores óticos permitem que redes óticas sejam construídas, de modo que um determinado sinal ótico possa ser roteado para seu destino apropriado.
Outro componente óptico importante é o conversor de comprimento de onda. Um conversor de comprimento de onda é um dispositivo que converte um sinal óptico vindo de um determinado comprimento de onda em outro sinal em um comprimento de onda diferente, mantendo o mesmo conteúdo digital. Esse recurso é importante para redes WDM porque fornece mais flexibilidade no roteamento de sinais ópticos pela rede.
REDES DE TRANSPORTE ÓPTICO
As redes WDM são construídas conectando nós de conexão cruzada de comprimento de onda (WXC) em uma determinada topologia de escolha. Os WXCs são realizados por multiplexadores e demultiplexadores de comprimento de onda, switches e conversores de comprimento de onda.
A figura a seguir descreve uma arquitetura de nó WXC genérica.
Os sinais óticos, multiplexados na mesma fibra, chegam a um demultiplexador ótico. O sinal é decomposto em suas várias portadoras de comprimento de onda e enviado a um banco de interruptores ópticos. Os interruptores ópticos direcionam os vários sinais de comprimento de onda para um banco de saída.
Multiplexadores, onde os sinais são multiplexados e injetados nas fibras de saída para transmissão. Conversores de comprimento de onda podem ser usados entre o comutador óptico e os multiplexadores de saída para fornecer mais flexibilidade de roteamento. Os WXCs foram pesquisados por vários anos. As dificuldades com WXCs são crosstalk e taxa de extinção.
Um Nó de Conexão Cruzada de Comprimento de Onda
Redes de transporte óptico (OTNs) são redes WDM que fornecem serviços de transporte por caminhos leves. Um caminho de luz é um tubo de alta largura de banda que transporta dados de até vários gigabits por segundo. A velocidade do caminho da luz é determinada pela tecnologia dos componentes ópticos (lasers, amplificadores ópticos, etc.). Velocidades na ordem de STM-16 (2488,32 Mbps) e STM-64 (9953,28 Mbps) são atualmente alcançáveis.
Um OTN é composto de nós WXC, além de um sistema de gerenciamento, que controla a configuração e desmontagem de caminhos de luz por meio de funções de supervisão, como monitoramento de dispositivos ópticos (amplificador, receptores), recuperação de falhas e assim por diante. A configuração e desmontagem de caminhos de luz devem ser executados em uma grande escala de tempo, como horas ou mesmo dias, visto que cada um deles fornece capacidade de largura de banda de backbone.
Há muita flexibilidade em como os OTNs são implantados, dependendo dos serviços de transporte a serem fornecidos. Uma das razões para essa flexibilidade é que a maioria dos componentes ópticos são transparentes para a codificação do sinal. Apenas na fronteira da camada óptica, onde o sinal óptico precisa ser convertido de volta para o domínio eletrônico, a codificação importa.
Portanto, serviços óticos transparentes para suportar várias tecnologias de rede eletrônica legadas, como SDH, ATM, IP e frame relay, rodando no topo da camada ótica, é um cenário provável no futuro.
A camada óptica é dividida em três subcamadas -
A rede da camada de canal óptico, que faz interface com clientes OTN, fornecendo canais ópticos (OChs).
A rede de camada multiplex ótica, que multiplexa vários canais em um único sinal ótico.
A rede de camada de seção de transmissão óptica, que fornece a transmissão do sinal óptico através da fibra.
FORMATO DO FRAME OTN
Semelhante ao uso de um quadro SDH, o acesso ao OCh deve ser feito por meio de um quadro OC, que está definido atualmente. O tamanho do quadro básico corresponde à velocidade STM-16 ou 2.488,32 Mbps, que constitui o sinal OCh básico. A figura a seguir descreve um possível formato de quadro OCh.
Um quadro de canal óptico
A região mais à esquerda do quadro (mostrada na figura abaixo) é reservada para bytes de overhead. Esses bytes devem ser usados para funções OAM & P, semelhantes aos bytes de overhead do quadro SDH, discutidos anteriormente.
Entretanto, funções adicionais provavelmente serão suportadas, como o fornecimento de fibras escuras (reserva de um comprimento de onda entre dois pontos finais para um único usuário) e APS baseado em comprimento de onda. A região mais à direita do quadro é reservada para um esquema de correção de erros direto (FEC) a ser exercido em todos os dados de carga útil. Um FEC sobre uma camada de transmissão óptica aumenta o comprimento máximo do span e reduz o número de repetidores. Um código Reed-Solomon pode ser usado.
Vários OChs devem ser multiplexados juntos no domínio óptico, para formar o sinal do multiplexador óptico (OMS). Isso é paralelo à multiplexação de vários quadros STM-1 em um formato de quadro STM-N SDH. Vários OChs podem ser multiplexados para formar OMS.
O sinal do cliente óptico é colocado dentro do sinal de carga útil OCh. O sinal do cliente não é limitado pelo formato de quadro OCh. Em vez disso, o sinal do cliente deve ser apenas um sinal digital de taxa de bits constante. Seu formato também é irrelevante para a camada óptica.
WDM RINGS
Conceitualmente, um anel WDM não é muito diferente de um anel SDH. Os WXCs são interconectados em uma topologia em anel, semelhante aos ADMs SDH em um anel SDH. A principal diferença arquitetônica entre um anel SDH e um anel WDM está enraizada nas capacidades WXC de comutação e conversão de comprimento de onda.
Esses recursos podem ser usados, por exemplo, para fornecer níveis de proteção sem paralelo na tecnologia SDH. Em outras palavras, a proteção do comprimento de onda ou do caminho da luz pode ser fornecida, além da proteção do caminho e da linha.
Os protocolos ópticos APS são tão complexos quanto SDH APSs. A proteção pode ser fornecida no nível OCh ou no nível da seção ótica multiplex / seção de transmissão ótica. Alguns recursos extras de proteção podem ser implementados sem paralelo em anéis SDH. Por exemplo, um caminho de luz com falha (por exemplo, uma falha de laser) pode ser corrigido convertendo um sinal óptico de um determinado comprimento de onda em um diferente, evitando o redirecionamento do sinal.
Isso é equivalente à comutação de amplitude em SDH, com a diferença de que até mesmo dois anéis WDM de fibra podem fornecer essa capacidade para proteção OCh. Na camada OMS, entretanto, a proteção de amplitude exigirá quatro anéis de fibra, como no SDH. Esses recursos extras, sem dúvida, introduzirão complexidade extra nos protocolos APS da camada óptica.
Uma vez que o anel WDM esteja ativo, caminhos leves precisam ser estabelecidos de acordo com o padrão de tráfego a ser suportado.
REDES MESH WDM
As redes Mesh WDM são construídas com os mesmos componentes ópticos dos anéis WDM. No entanto, os protocolos usados em redes mesh são diferentes daqueles usados em anéis. Por exemplo, a proteção em redes mesh é uma proposição mais complexa, assim como o problema de roteamento e atribuição de comprimento de onda em redes mesh WDM.
É provável que as redes mesh sejam como infraestruturas de backbone conectando anéis WDM. Espera-se que algumas dessas conexões sejam ópticas, evitando gargalos ópticos / eletrônicos e proporcionando transparência. Outros exigirão a conversão do sinal óptico em domínio eletrônico para gerenciamento de monitoramento e talvez para fins de faturamento. A figura a seguir descreve uma rede WDM.
Infrastructure - Nesta figura, três camadas de topologia a seguir são mostradas -
- Rede de Acesso
- Rede Regional
- Rede Backbone
Infraestrutura de rede WDM
Estão incluídos anéis SDH e redes ópticas passivas (PONs) como redes de acesso. Eles geralmente são baseados em um barramento ou topologia em estrela e o protocolo de controle de acesso ao meio (MAC) é usado para coordenar as transmissões entre os usuários. Nenhuma funcionalidade de roteamento é fornecida em tais redes.
Essas arquiteturas são práticas para redes que suportam no máximo algumas centenas de usuários em curtas distâncias. Embora os PONs sejam redes mais baratas do que os anéis WDM, devido à falta de componentes ativos e recursos como roteamento de comprimento de onda, os lasers necessários nas fontes PON tornam a primeira geração desse equipamento ainda mais cara do que os anéis SDH. Isso favorece a solução SDH no nível da rede de acesso, pelo menos em um futuro próximo.
As redes de backbone contêm componentes ópticos ativos, fornecendo funções como conversão de comprimento de onda e roteamento. As redes de backbone terão que interagir de alguma forma com tecnologias de transporte legadas, como ATM, IP, PSTN e SDH.
O cenário geral é ilustrado na figura a seguir. Vários tipos de interface envolvidos na figura.
Sobreposição de uma rede de transporte WDM com tráfego ATM / IP.
Encapsulamento de quadro SDH
O quadro OCh deve ser definido para que o encapsulamento do quadro SDH possa ser feito facilmente. Todo o STM-16xc, por exemplo, deve ser transportado como uma carga útil OCh. Se um canal óptico STM-16 básico for usado, pode não ser possível encapsular SDH-16xc no canal óptico STM-16, devido aos bytes de overhead OCh.
O formato do quadro OCh está sendo definido. A figura a seguir exemplifica o encapsulamento de quadros SDH em quadros OCh.
SDH Interfaces para WDM
O equipamento WDM com interfaces físicas SDH fornecerá sinais ópticos para dispositivos SDH. Essas interfaces devem ser para compatibilidade com a tecnologia SDH. Portanto, o dispositivo SDH não precisa estar ciente da tecnologia WDM usada para transportar seu sinal (por exemplo, o dispositivo pode pertencer a um anel BLSR / 4).
Neste caso, o WXC irá baixar e adicionar ao meio óptico o comprimento de onda originalmente usado no anel SDH. Dessa forma, as camadas WDM e SDH são completamente desacopladas, o que é necessário para a interoperabilidade do WDM com equipamentos SDH legados.
Isso coloca restrições extras na seleção de comprimentos de onda na camada óptica, uma vez que o comprimento de onda do último salto, aquele que faz interface com o dispositivo SDH, deve ser o mesmo usado pelo dispositivo SDH para terminar o caminho óptico, se a conversão de comprimento de onda não for fornecida dentro do dispositivo SDH.
Um link WDM
| Tecnologia | Detecção | Restauração | Detalhes | |
|---|---|---|---|---|
| WDM | WDM-OMS / OCH | 1-10ms | 10-30ms | Anel / PP |
| SDH | SDH | 0.1ms | 50ms | Anel |
| APS 1 + 1 | 0.1ms | 50ms | PP | |
| ATM | FDDI | 0.1ms | 10ms | Anel |
| STM | 0.1ms | 100ms | ||
| ATM PV-C / P 1 + 1 | 0.1ms | 10msxN | Espera N = # saltos | |
| ATM PNNI SPV-C / P, SV-C / P | Anos 40 | 1-10s | ||
| IP | Border Gateway Protocol | 180ms | 10-100s | |
| Protocolo de roteamento de gateway interior e E-OSPF | Anos 40 | 1-10s | ||
| Sistema Intermediário | Anos 40 | 1-10s | ||
| Protocolo de roteamento da Internet | 180s | 100s |
De acordo com a tabela mostrada acima, embora a restauração seja mais rápida em WDM do que a tecnologia SDH, a detecção de falhas em WDM é mais lenta. Uma sobreposição mais segura de mecanismos de proteção WDM / SDH exige um esquema de proteção WDM mais rápido. Como alternativa, os SDH APSs podem ser artificialmente desacelerados se os clientes SDH puderem suportar a degradação de desempenho decorrente de tais procedimentos.
A recuperação de falha desnecessária em camadas superiores pode causar instabilidade de rota e congestionamento de tráfego; portanto, deve ser evitado a todo custo. As verificações de persistência de falha podem ser usadas em camadas superiores para evitar uma reação precoce a falhas em camadas inferiores.
Uma recuperação de falha na subcamada OMS pode substituir os procedimentos de recuperação de várias instâncias dos sinais SDH servidos pela camada ótica. Assim, um número potencialmente grande de clientes SDH é poupado de iniciar procedimentos de recuperação de falha em suas camadas. Portanto, uma única recuperação de falha na subcamada OMS óptica pode poupar centenas.
Evolução para uma rede de transporte totalmente ótica
A evolução para uma rede WDM totalmente óptica deve ocorrer gradualmente. Primeiro, os dispositivos WXC serão conectados às fibras existentes. Alguns componentes extras podem ser necessários no link ótico, como EDFAs, para tornar os links de fibra legados adequados para a tecnologia WDM. Os WXCs farão interface com equipamentos legados, como SDH e interface de dados distribuídos de fibra (FDDI).
Uma vantagem de uma rede de transporte totalmente ótica transparente é que a transferência de funções SDH para a camada acima (IP / ATM) ou abaixo (WDM) do SDH provavelmente acontecerá, trazendo economia em termos de atualização e manutenção da rede. Essa reorganização da camada pode afetar as redes de transporte, supondo que o tráfego em tempo real, incluindo voz, seja empacotado (IP / ATM). Isso pode levar à extinção dos sinais SDH dos VCs.
Uma questão chave seria como empacotar de forma mais eficiente os pacotes em SDH, ou mesmo diretamente em quadros OCh. Qualquer que seja o novo método de encapsulamento que surja, a compatibilidade com encapsulamento IP / PPP / HDLC e ATM é obrigatória.