Multipleksowanie z Podziałem Długości Fali (WDM)

Czym jest multipleksowanie z podziałem długości fali (WDM)?

Multipleksowanie z podziałem długości fali (WDM) to technika komunikacji światłowodowej, która umożliwia jednoczesne przesyłanie wielu niezależnych strumieni danych jednym włóknem. Każdy strumień otrzymuje własną światła, co pozwala rozdzielić kanały w domenie optycznej podczas wspólnej transmisji. Nadajnik i odbiornik korzystają z ustalonej siatki kanałów optycznych.

Jedno włókno może przenosić kilka kanałów optycznych, ponieważ każdy kanał zajmuje inny zakres widma. WDM jest optycznym odpowiednikiem , ponieważ długość fali i częstotliwość światła pozostają w zależności odwrotnej ( $c = \lambda \cdot f$ ).

Optyczny MUX jest urządzeniem rozgałęziającym selektywnym względem długości fali. Łączy wcześniej wybrane zakresy, a DEMUX wykonuje rozdzielenie odwrotne. Siatka ITU-T określa nominalne długości fal lub częstotliwości środkowe oraz ich odstępy, lecz nie narzuca przepływności sygnału klienckiego. Kanał WDM może więc przenosić protokół kliencki inny niż sąsiednie kanały w tym samym włóknie.

Dlaczego WDM zwiększa pojemność względem TDM

Przed upowszechnieniem WDM pojemność światłowodów zwiększano głównie za pomocą multipleksowania z podziałem czasu (TDM), stosowanego między innymi w systemach SDH i SONET. TDM przeplata bity lub bajty z wielu strumieni w jeden strumień o wyższej przepływności.

Ograniczenia elektroniki: TDM wymaga szybkich układów elektronicznych do łączenia i rozdzielania strumieni. Pod koniec lat 90. możliwości ówczesnych układów ograniczały dalszy wzrost przepływności. Przekraczanie 40 Gb/s w pojedynczym kanale było trudne technicznie i kosztowne.
Wykorzystanie pasma włókna: Pojedyncze włókno ma w ujęciu teoretycznym pasmo liczone w tysiącach gigaherców, szersze niż zakres obsługiwany przez pojedynczy tor TDM. WDM pozwoliło operatorom wykorzystać większą część tej pojemności bez układania kolejnych kabli światłowodowych.

Główne komponenty systemu WDM

Typowe połączenie WDM typu punkt-punkt składa się z kilku komponentów odpowiedzialnych za nadawanie, łączenie, prowadzenie, wzmacnianie i odbiór kanałów optycznych.

Transpondery (nadajniki): Odbierają dane, na przykład z przełącznika Ethernet lub urządzenia SDH, i przekształcają je w sygnał optyczny o długości fali przypisanej do danego kanału.
Multiplekser optyczny (MUX): Pobiera sygnały z wielu transponderów, każdy na innej długości fali ( $\lambda_1, \lambda_2, ..., \lambda_N$ ), i łączy je w jeden sygnał wielokanałowy przesyłany jednym włóknem.
Światłowód: Medium transmisyjne przenoszące sygnał zawierający wiele długości fal.
Wzmacniacze optyczne (np. EDFA): Podczas transmisji na duże odległości moc sygnału optycznego maleje wskutek tłumienia. może być rozmieszczany wzdłuż łącza do wzmacniania kanałów w swoim paśmie pracy bez demultipleksowania i indywidualnej konwersji każdego kanału.
Demultiplekser optyczny (DEMUX): Na końcu odbiorczym rozdziela sygnał wielokanałowy na składowe o poszczególnych długościach fali i kieruje je do odpowiednich odbiorników.
Transpondery (odbiorniki): Każdy odbiornik jest dostrojony do określonej długości fali i przekształca odebrany sygnał optyczny w elektryczny strumień danych.

Multiplekser i demultiplekser wprowadzają tłumienie wtrąceniowe oraz zapewniają skończoną izolację między sąsiednimi kanałami. Ich wpływ na margines mocy i przesłuch uwzględnia się w bilansie łącza. EDFA przywraca łączną moc kanałów, lecz dodaje szum emisji spontanicznej, dlatego projekt obejmuje także OSNR, wyrównanie kanałów, dyspersję i efekty nieliniowe.

Rodzaje systemów WDM: CWDM i DWDM

Systemy WDM klasyfikuje się między innymi na podstawie odstępów międzykanałowych. Parametr ten wpływa na liczbę kanałów oraz wymagania wobec nadajników, filtrów i wzmacniaczy.

CWDM (zgrubne WDM)

Odstęp międzykanałowy: Szeroki, typowo $20 \text{ nm}$ .
Liczba kanałów: Do 18 pozycji w siatce ITU-T, rozmieszczonych co 20 nm od 1271 do 1611 nm, a konkretny interfejs może wykorzystywać mniej kanałów.
Komponenty: Stosuje tańsze lasery bez stabilizacji temperatury oraz filtry o szerszym paśmie przepustowym.
Wzmacnianie: Kanały obejmują szeroki zakres długości fal, a standardowy EDFA pracuje tylko w wybranym paśmie, więc wzmacnianie całej siatki CWDM wymaga dodatkowych założeń.
Zastosowanie: Głównie sieci metropolitalne (MAN) i dostępowe o krótszym zasięgu oraz mniejszej pojemności.

DWDM (gęste WDM)

Odstęp międzykanałowy: Wąski i określony przez siatkę ITU-T G.694.1, zakotwiczoną na 193,1 THz. Typowe odstępy to $100 \text{ GHz}$ ( $\approx 0.8 \text{ nm}$ ) lub $50 \text{ GHz}$ ( $\approx 0.4 \text{ nm}$ ) w pobliżu 1550 nm. Siatka przewiduje także odstępy 25 i 12,5 GHz oraz wariant elastyczny.
Liczba kanałów: Wysoka, na przykład 40, 80 lub 160 kanałów, zależnie od pasma i interfejsu.
Komponenty: Wymaga laserów z kontrolą częstotliwości oraz precyzyjnych filtrów, zwykle droższych niż w CWDM.
Wzmacnianie: Kanały pracujące w pasmach C lub L mogą być wzmacniane przez EDFA dobrane do danego pasma.
Zastosowanie: Często stosowane w dalekosiężnych sieciach szkieletowych i podmorskich o dużej przepływności, z agregacją transmisji rzędu terabitów na sekundę.

Do dalszych kierunków rozwoju zalicza się UDWDM (Ultra-Gęste WDM) oraz techniki takie jak Optyczny OFDM. Ich celem jest zwiększenie wykorzystania widma przez gęstsze rozmieszczenie kanałów i lepsze dopasowanie transmisji do właściwości włókna.