Problem Przepustowości: Od TDM do Tęczy Danych

Wczesne systemy transmisji cyfrowej, takie jak SDH/SONET, opierały się na Multipleksacji Czasowej (TDM). Polegało to na wysyłaniu bitów z różnych kanałów jeden po drugim w szybkiej sekwencji. Chociaż było to skuteczne, podejście to napotkało barierę technologiczną. Zwiększanie szybkości transmisji przez skracanie szczelin czasowych stało się niezwykle drogie i ograniczone przez prędkość elektroniki, osiągając maksimum na poziomie około 40 Gb/s na jedno włókno.

Aby przezwyciężyć to ograniczenie i sprostać wykładniczemu wzrostowi zapotrzebowania na dane, potrzebny był nowy paradygmat. Zamiast próbować wysyłać jeden strumień danych szybciej, inżynierowie zwrócili się ku wysyłaniu wielu strumieni jednocześnie przez to samo włókno. To jest fundamentalna idea multipleksacji falowej.

Zasada Działania WDM: Tęcza w Światłowodzie

Multipleksacja z podziałem długości fali (WDM) jest optycznym odpowiednikiem multipleksacji z podziałem częstotliwości (FDM). Wykorzystuje fakt, że pojedyncze włókno światłowodowe może przenosić światło o wielu różnych kolorach (długościach fal) w tym samym czasie, bez ich wzajemnego zakłócania się. Każda długość fali działa jak osobny, niezależny kanał komunikacyjny. To tak, jakbyśmy mieli wielopasmową autostradę wewnątrz pojedynczego włókna szklanego, gdzie każdy pas jest innym kolorem światła.

CWDM kontra DWDM: Jak Gęsta jest Tęcza?

• CWDM (Coarse WDM - zwielokrotnienie zgrubne): W "zgrubnym" WDM odstępy między kanałami są szerokie, zazwyczaj 20 nm. Pozwala to na użycie tańszych, niewymagających chłodzenia laserów i prostszych komponentów. Jest często stosowane w sieciach metropolitalnych i dostępowych na krótsze dystanse, dla maksymalnie 16 lub 18 kanałów.
• DWDM (Dense WDM - zwielokrotnienie gęste): W "gęstym" WDM kanały są upakowane znacznie bliżej siebie, a ich odstępy są zdefiniowane przez siatkę ITU-T, typowo 0,8 nm (100 GHz) lub 0,4 nm (50 GHz). Pozwala to na transmisję bardzo dużej liczby kanałów (40, 80, 160 lub więcej) w najbardziej efektywnym oknie transmisyjnym światłowodu (paśmie C). DWDM to technologia z wyboru dla dalekosiężnych, wysokopojemnych sieci szkieletowych, umożliwiająca osiąganie sumarycznych przepływności rzędu Terabitów na sekundę (Tb/s).

Anatomia Linii DWDM

Typowa dalekosiężna linia transmisyjna DWDM składa się z kilku kluczowych komponentów, które współpracują ze sobą w celu wysyłania, wzmacniania i odbierania sygnału wielofalowego.

• Transponder: Punkt wyjściowy. Jego głównym zadaniem jest pobranie przychodzącego sygnału (np. z routera lub urządzenia SDH) i przekształcenie go w sygnał optyczny o specyficznej, precyzyjnej długości fali zgodnej z siatką DWDM. Proces ten często nazywa się "kolorowaniem" sygnału. Wykonuje on również regenerację sygnału (Wzmocnienie, Odtworzenie kształtu, Odtworzenie taktowania - 3R).
• Multiplekser (MUX): To urządzenie działa jak pryzmat w odwrotnym kierunku. Pobiera pojedyncze "kolorowe" sygnały z wielu transponderów i łączy je w jeden, wielofalowy ("tęczowy") sygnał, który jest wysyłany przez jedno włókno.
• Wzmacniacz Optyczny (np. EDFA): Na długich dystansach sygnał optyczny traci moc (ulega tłumieniu). EDFA (Wzmacniacz Światłowodowy Domieszkowany Erb_em) to urządzenie całkowicie optyczne, które wzmacnia wszystkie kanały DWDM jednocześnie, bez konwersji z powrotem na sygnał elektryczny. Są one umieszczane okresowo wzdłuż łącza światłowodowego.
• Światłowód Kompensujący Dyspersję (DCF): Specjalny typ światłowodu włączany do łącza w celu przeciwdziałania efektom dyspersji chromatycznej, która powoduje, że impulsy światła o różnych kolorach podróżują z nieco różnymi prędkościami, rozmywając sygnał na dużą odległość.
• Demultiplekser (DEMUX): Na końcu odbiorczym to urządzenie działa jak pryzmat. Pobiera przychodzący sygnał wielofalowy i rozdziela go z powrotem na poszczególne kolorowe kanały, kierując każdy do odpowiedniego transpondera odbiorczego.

Architektury Sieci i Protekcja

Technologia DWDM jest wdrażana w różnych topologiach sieciowych, często z wbudowanymi zaawansowanymi mechanizmami zabezpieczeń w celu zapewnienia wysokiej niezawodności.

• Topologie Punkt-Punkt i Pierścieniowe: Proste połączenia między miastami są powszechne, ale w sieciach metropolitalnych i regionalnych dominują topologie pierścieniowe, które zapewniają naturalną ścieżkę dla redundancji.
• Elastyczne Węzły (OADM & OXC): Zamiast tylko kończyć sygnały, węzły pośrednie mogą elastycznie zarządzać ruchem. OADM (Optyczny Multiplekser Dodająco-Odejmujący) pozwala na wydzielenie określonych kanałów w danym mieście, podczas gdy inne przechodzą tranzytem. OXC (Przełącznica Optyczna) to potężniejszy przełącznik, który może kierować długości fal lub całe sygnały światłowodowe między wieloma wejściowymi i wyjściowymi światłowodami, tworząc rdzeń sieci kratowych (mesh).
• Schematy Protekcji: Aby chronić przed awariami, takimi jak przecięcie światłowodu, sieci DWDM używają przełączania protekcyjnego. W schemacie 1+1 sygnał jest wysyłany jednocześnie dwiema oddzielnymi ścieżkami, a odbiornik wybiera lepszą z nich. W bardziej wydajnych schematach 1:N, jedna zapasowa ścieżka (lub zestaw długości fal) może chronić wiele ścieżek roboczych.