Почему OTDM и TDM-PON так привлекательны?

В последние десятилетия, в связи с растущими требованиями к пропускной способности и скорости, технологии оптической связи стремительно развивались и достигли значительных результатов. Однако из-за затухания, дисперсии и нелинейности волокна достижимая пропускная способность традиционных волоконно-оптических систем связи по-прежнему ограничена. В настоящее время технологии спектрального разделения (WDM) и оптического временного разделения (OTDM) позволяют увеличить пропускную способность оптического волокна. Однако у WDM есть некоторые недостатки, например, нелинейность волокна или неравномерный спектр усиления усилителей. OTDM позволяет преодолеть эти недостатки WDM благодаря своим гораздо более привлекательным характеристикам. OTDM считается перспективной сетевой технологией и постоянно развивается. Сегодня в блоге Fiber-Mart будут представлены основные сведения об OTDM, а также её отличия от WDM. Кроме того, в статье также рассматриваются TDM-PON и его отличия от WDM-PON, а также WDM/TDM-PON.

OTDM (оптическое временное мультиплексирование) — это технология мультиплексирования каналов, которая мультиплексирует сигналы в различных битовых слотах во временной области. Другими словами, практично объединить набор потоков с низкой скоростью передачи данных, каждый с фиксированной и предопределенной битовой скоростью, в один высокоскоростной битовый поток, который может передаваться по одному каналу. В отличие от WDM, OTDM использует только одну длину волны, то есть, говоря интуитивно, только «цвет» света в волокне. OTDM предоставляет пользователю полную пропускную способность канала, но делит использование канала на временные слоты. Возможно, вы все еще путаете OTDM из-за этого скучного описания. Вот простой пример, который поможет вам интуитивно понять OTDM. Предположим, что канал способен передавать 192 кбит/с из Лос-Анджелеса в Нью-Йорк. И есть три источника, все из которых расположены в Лос-Анджелесе. Таким образом, у каждого есть данные со скоростью 64 кбит/с, которые они хотят передать отдельным пользователям в Нью-Йорке. Как показано на рисунке 1, высокоскоростной канал может быть разделён на ряд временных интервалов, которые могут поочерёдно использоваться тремя источниками. Таким образом, три источника могут передавать все свои данные по одному общему каналу. Очевидно, что на другом конце канала (в данном случае, в Нью-Йорке) процесс должен быть обратным. Система должна разделить мультиплексированный поток данных со скоростью 192 кбит/с обратно на три исходных потока данных по 64 кбит/с, которые затем предоставляются трём разным пользователям. Этот обратный процесс называется демультиплексированием. Технология OTDM максимально использует эти преимущества в оптической области и является ещё одним важным методом построения фотонных сетей, помимо развития высокоскоростной обработки сигналов.

Принцип работы OTDM

Как следует из определения, основной принцип работы OTDM заключается в мультиплексировании нескольких оптических каналов с низкой скоростью передачи данных во временной области. Система OTDM в целом состоит из трёх основных блоков: блока передатчика, линейной системы и приёмника. Блок передатчика состоит из лазерных источников, модуляторов, систем выравнивания каналов и мультиплексора. Линейная система включает оптические усилители и передающие волокна. Блок приёмника состоит из схемы извлечения тактовой частоты и схемы демультиплексирования каналов.

Распределение каналов при временном разделении зависит от основной электрической скорости передачи данных и длительности оптического импульса. При фиксированной электрической тактовой частоте необходимо сократить длительность оптического импульса для мультиплексирования большего количества каналов за период тактовой частоты. Кроме того, сокращение длительности импульса может помочь снизить перекрёстные помехи между каналами благодаря увеличению свободного пространства в битовом слоте. Однако короткие оптические импульсы подвержены значительному влиянию дисперсии по мере увеличения расстояния передачи. Но не стоит забывать, что использование импульсов с ограниченным преобразованием и метода компенсации наклона дисперсии может снизить влияние дисперсии на OTDM.

Кроме того, точный контроль выравнивания каналов также критически важен по мере увеличения скорости передачи, поскольку больше каналов мультиплексируются за фиксированный период тактовой частоты. Любое рассогласование может повлиять на производительность системы OTDM из-за перекрестных помех и дисперсии. Электрооптический метод коммутации или полностью оптический метод коммутации позволяют добиться демультиплексирования на стороне приемника. Электрооптический метод отлично подходит для скорости передачи менее 40 Гбит/с. Достичь скорости свыше 40 Гбит/с сложнее из-за ограничений по мощности электропривода. Полностью оптический метод коммутации основан на нелинейном эффекте третьего порядка оптического волокна. Он отлично подходит для сверхбыстрой передачи, поскольку нелинейный отклик находится в диапазоне fs. Он также позволяет добавлять/извлекать отдельный канал или несколько каналов, что является важной особенностью для работы сети. Однако полностью оптический коммутатор очень громоздкий и дорогой в изготовлении. Успешное демультиплексирование может быть достигнуто только при точном извлечении синхронизации. Джиттер синхронизации в схеме извлечения может напрямую влиять на показатель частоты появления ошибочных битов (BER) системы OTDM.

Привлекательные особенности OTDM

Чтобы удовлетворить растущий спрос на передачу информации, полностью оптические сети станут трендом будущего. Некоторые привлекательные особенности OTDM делают её перспективной технологией полностью оптических сетей:

OTDM против WDM

Посмотрите на рисунок (Рисунок 2) ниже. Вы можете заметить, что OTDM похож на WDM, если быстро просмотрите его. Потому что и в OTDM, и в WDM есть много каналов. На самом деле, это не одно и то же. Для OTDM в одном волокне есть только одна длина волны, которая также называется одной полосой пропускания. Каналы называются временными слотами, поскольку они разделены в соответствии с временной областью. Сигналы мультиплексируются в разных битовых слотах. В то время как в WDM каналы называются длинами волн, и в одном волокне есть несколько длин волн. Обратитесь к рисунку 3, вы, очевидно, найдете эти различия между передачей OTDM и передачей WDM. В OTDM длина волны сигнала (красный цвет) передается на протяжении всего процесса, в то время как в WDM есть несколько длин волн (несколько цветов), и каждая длина волны делится на отдельные каналы.

Рисунок 2. Ось OTDM и WDM

Рисунок 3. Принцип работы OTDM и WDM

T DM-PON против WDM-PON

Обе технологии, OTDM и WDM, используются в пассивной оптической сети (PON), которые соответственно называются TDM-PON и WDM-PON. TDM-PON (рисунок 4) разделяет оптическую мощность посредством разветвителя 1xN, для которого N относительно мало, как и количество абонентов, а также скорость передачи данных для каждого конечного пользователя. Напротив, WDM-PON с относительно небольшим количеством каналов доставляет трафик к такому же количеству оптических сетевых устройств (ONU), как и каналы, но с высокой скоростью передачи данных для каждого из них. Поскольку среда передачи используется всеми конечными пользователями, доступная полоса пропускания и сетевые ресурсы используются лучше в TDM-PON, чем в WDM-PON, следовательно, TDM-PON более эффективен. С другой стороны, TDM-PON основан на фиксированном количестве хорошо синхронизированных временных интервалов. Таким образом, TDM-PON нелегко масштабируется. Напротив, WDM-PON ограничен только количеством длин волн, доступных в сетке.

Благодаря своей вещательной природе TDM-PON позволяет злоумышленникам «прослушивать» временные интервалы, принадлежащие другим ONU. Таким образом, TDM-PON менее безопасен. WDM-PON не осуществляет широковещательную передачу данных и в этом отношении превосходит TDM-PON. Однако злоумышленник также может извлечь данные из отдельного ONU, получив несанкционированный доступ к ONU или перехватив его вход или выход. В целом, безопасность — это вопрос, требующий серьёзного внимания, включая шифрование данных и защиту оптоволоконной линии.

В заключение отметим, что TDM-PON и WDM-PON обладают как преимуществами, так и недостатками, взаимодополняющими друг друга. Преимущества первой являются недостатками второй, и наоборот. Таким образом, объединение технологий TDM и WDM в PON, т.е. WDM/TDM-PON, весьма выгодно, поскольку позволяет нескольким пользователям совместно использовать пропускную способность одной длины волны WDM. За некоторыми исключениями, пропускная способность одной длины волны превышает потребности отдельного пользователя в пропускной способности. WDM/TDM-PON обладает следующими особенностями:

Рисунок 4. TDM-PON

Заключение

Технология WDM широко используется в современных сетях, поскольку в настоящее время является зрелой и практичной технологией оптической передачи для передачи большой емкости. Благодаря таким преимуществам, как прозрачность, реконфигурируемость и отказоустойчивость сети, WDM будет развиваться в направлении гибких оптических сетей, основанных на оптическом переключении длин волн и маршрутизации длин волн. Благодаря возможностям более быстрого восстановления сети и реконструкции пропускной способности, WDM станет основным направлением будущей оптической транспортной сети. Однако существуют некоторые неизбежные ограничения WDM. Таким образом, нам необходима технология TDM в оптической передаче, называемая OTDM из-за ее гораздо более привлекательных характеристик. OTDM — очень эффективный метод оптического мультиплексирования. Он позволяет полностью использовать спектральный ресурс и устранить некоторые ограничения нелинейных эффектов в системе WDM. Однако, несмотря на значительный прогресс, достигнутый в последние годы в исследовании OTDM, он еще недостаточно зрел, поскольку некоторые ключевые технологии еще не разработаны. На самом деле мы считаем, что по мере углубления исследований технологии WDM и OTDM будут объединены, дополняя друг друга, и будут широко использоваться в будущих сверхскоростных сетях передачи данных.