All optical networks Door Bart Embrechts en Marijn Scheir
Inleiding De netwerkarchitectuur van telecommunicatienetwerken heeft in de loop van de geschiedenis een sterke evolutie ondergaan. Wat de gebruikte fysische technologie betreft kan men drie generaties van netwerkverbindingen onderscheiden (zie figuur 1)
Figuur 1: Evolutie van de architectuur van telecommunicatienetwerken
De eerste generatie (figuur 1: links) waren netwerken waarbij er uitsluitend koperverbindingen tussen de knooppunten waren. Vermits in dit type van netwerken de maximum haalbare transmissiedebieten erg beperkt zijn, ging men in een tweede generatie ook gebruik maken van glasvezelverbindingen. Dergelijke netwerken worden opto-elektrische netwerken genoemd. Zoals in de middelste figuur 1 aangegeven staat, bleven de toegangsnetwerken bekabeld door koperverbindingen terwijl het ruggengraatnetwerk nu bestaat uit elektronische knooppunten met daartussen glasvezelverbindingen. Het gevolg hiervan is dat er in het ruggengraatnetwerk op elk knooppunt een optisch-elektrische en elektrische-optische conversie dient te gebeuren. Via de glasvezelverbinding komt er in het knooppunt immers een optisch signaal toe, dit wordt omgezet naar een elektrisch signaal dat verwerkt wordt. Het verwerkte signaal wordt tenslotte weer omgezet in een optisch signaal dat verder gezonden wordt over de glasvezel. Waarom is er nu nood aan een derde generatie van netwerkverbindingen? Als we tegenwoordig het aandeel van data en spraak in de wereldwijde trafiek vergelijken dan blijkt dat data steeds meer aan belang wint. Netwerken zijn geëvolueerd naar geïntegreerde netwerken die geoptimaliseerd zijn voor het overbrengen van data, met de mogelijkheid om betrouwbaar en zonder grote vertragingstijd spraak over te brengen. Er wordt dus een belangrijke eis gesteld aan netwerken om een hogere bandbreedte, hogere snelheden en een hogere flexibiliteit te leveren. We komen stilaan op het punt dat de huidige netwerken niet meer aan deze eis voldoen. De performantie van opto-elektrische netwerken wordt immers beperkt door een elektronische bottleneck die het gevolg is van het feit dat informatietransport in elke van de tussenknooppunten het tijdsvertragende proces van optische-elektrische en elektrische-optische conversie ondergaat. Bovendien moet al de informatie die gedragen wordt op de optische vezel, verwerkt worden aan datasnelheden die afhangen van de elektronische knooppunten (in de grootteorde van gigabits/s) waardoor de doorvoer beperkt wordt. Als oplossing hiervoor werd daarom een derde generatie van netwerken voorgesteld, die wel voldoen aan de eis die gesteld wordt aan hedendaagse netwerken: de volledig optische netwerken (zie figuur 1: rechts). Bij dit type van netwerken is geen enkele conversie in de tussenknooppunten nodig en is een throughput in de orde van terabits per seconde mogelijk.
Om tot dermate hoge snelheden te komen werden tal van multiplexing technieken voorgesteld( WDM, OTDM, OCDM) die de grote bandbreedte van optische vezels optimaal proberen te benutten. De techniek die in volledig optische netwerken het meeste gebruikt wordt is WDM (wavelength division multiplexing). In een eerste sectie zal deze techniek toegelicht worden. In een volgende sectie wordt dieper ingegaan op de architectuur van volledig optische netwerken waarbij de nodige aandacht zal uitgaan naar gebruikte netwerkcomponenten.
1. Wavelength Division Multiplexing WDM staat voor Wave Division Multiplexing wat inhoudt dat men verschillende optische carriers samen wil doorsturen door maar van één optische vezel gebruik te maken. In de standaard punt tot punt optische verbindingen wordt hiervan gebruik gemaakt om de capaciteit uit te breiden of om een bidirectionele verbinding over een glasvezel op te zetten. In optische netwerken wordt WDM echter gebruikt om verschillende carriers te routeren naar de verschillende bestemmingen. Er bestaan twee varianten van WDM die in de praktijk gebruikt worden en dit zijn CWDM (Coarse WDM) en DWDM (Dense WDM). Het grote verschil tussen beide zit in de gehaalde capaciteit. Eerst zal nu het globale werkingsprincipe van WDM uitgelegd worden. Vervolgens worden dan enkele specifieke kenmerken van CWDM en DWDM in detail besproken.
Figuur 2: Het principe achter wdm
Zoals eerder al aangehaald moeten er verschillende golflengten in één glasvezel worden samengebracht. Dit wordt gedaan door een optische multiplexer te gebruiken aan het begin van de lijn en een optische demultiplexer aan het einde ervan. Er bestaan verschillende soorten optische multiplexers : Een eerste is de passieve coupler. Deze component combineert de verschillende golflengtes exact zoals het zou moeten, maar zorgt wel telkens voor een verzwakking van 50%. Bijvoorbeeld bij het combineren van acht kanalen zijn er drie van deze componenten nodig die elk 50% verzwakken. Acht kanalen geeft drie doorgangen dus behouden we na samenvoeging nog maar één achtste van het oorspronkelijke vermogen. Het blijkt dus dat deze component een te felle verzwakking teweeg brengt bij het multiplexen van veel kanalen.
Figuur 3: Array waveguide grating (AWG)
Een andere oplossing is het gebruik van Array WaveGuide Gratings (AWG’s) zoals in figuur 3. De werking van deze component is complex en wordt ook niet verder besproken. Door van AWG’s gebruik te maken kan men tal van kanalen bij elkaar voegen waarbij er maar een beperkt verlies optreedt. Het kan worden gebruikt als multiplexer en demultiplexer en wordt daarom ook veel ingezet bij wdm.
Figuur 4: Het verlies (in dB/km) van een glasvezel in functie van de frequentie. De rechtse figuur vergelijkt het geval van een conventionele glasvezel met een droge glasvezel.
Een glasvezel heeft een zeer grote bandbreedte, maar toch zijn niet alle frequenties geschikt voor communicatie doeleinden. Glasvezel heeft een band rond 1300nm en eentje rond 1500nm waarbij de verzwakking kleiner dan 0,5dB/km is.Bij conventionele WDM systemen worden acht banden gebruikt in de C-band. Deze band ligt tussen 1530 en 1565nm. Figuur 4 laat zien dat er voor dit systeem conventionele glasvezel kan gebruikt worden. De volle band 1310 tot 1550 kan ook gebruikt worden mits er glasvezel ligt die geen OH- ionen bevat want deze zorgen voor een sterke verzwakking in de E-band (die van 1360 tot 1460nm loopt). CWDM CWDM of Coarse Dens Wave Multiplexing is het zwakkere broertje van DWDM dat later in deze tekst zal volgen. Bij de techniek van CWDM worden er maar maximum 16 carriers gemultiplexed wat veel minder is dan bij DWDM. De band die hiervoor gebruikt wordt is volgens de standaard G694.2 de band van 1270 tot 1611nm. Elk kanaal heeft daarbij een bandbreedte van ongeveer 20nm. Tegenwoordig zijn er goedkope passieve (de)multiplexers die er voor zorgen dat deze techniek veelvuldig wordt toegepast. Het concept met fiber to the home maakt hier ook gebruik van.
DWDM Dit is de geavanceerdere vorm van WDM. Bij deze techniek wordt er gewerkt met veel kleinere bandbreedtes die allemaal heel kort op elkaar liggen vandaar de benaming ‘dense’. DWDM bevindt zich in de band van 1525 tot 1565nm hierbij worden bandbreedtes gebruikt die kleiner zijn dan 1nm. Om deze precisie te bekomen zijn zeer nauwkeurige lasers nodig waarbij frequentieverschillen kleiner dan 1GHz moeten zijn. Bij gebruik van de laatste nieuwe technieken kunnen er 160 kanalen door één glasvezel worden gestuurd wat betekent dat dit een capaciteit oplevert van 1,6Tbit/s als elke carrier 10Gbit/s over brengt. Naast het grote voordeel van de enorme capaciteit is het bij het gebruik van DWDM mogelijk om Erbium Doped Fiber Amplifiers (zie verder) toe te passen. Vandaar dat voor volledig optische netwerken meestal deze techniek gebruikt wordt voor het samenvoegen van meerdere golflengtes op een glasvezel.
2. De architectuur van volledig optische netwerken
Figuur 5: a) De architectuur van volledig optische netwerken b) Het opdelen van de mogelijke golflengtes is drie categorieën
Om op een efficiënte manier te kunnen communiceren worden optische netwerken georganiseerd volgens de hiërarchische architectuur uit figuur 5 (bestaande uit drie niveau’s). Op het laagste niveau van de hiërarchie zijn de hoogperformante LANS terug te vinden die verbonden zijn met de gebruikers door optische terminals. Elk niveau 0 subnetwerk is verbonden met een niveau 1 subnetwerk door middel van één optische vezel. Deze niveau 1 subnetwerken zijn dikwijls MANS. Elk niveau 1 subnetwerk is op zijn beurt verbonden met een niveau 2 subnetwerk waarvan er slechts één getoond is in de figuur. De architectuur van het netwerk wordt niet enkel in drie niveaus opgedeeld, bovendien wordt de verzameling mogelijke golflengtes opgedeeld in 3 categorieën ( , en ). Voor connecties die beperkt zijn tot een subnetwerk zelf, wordt gebruik gemaakt van de verzameling golflengtes . Dus 2 verschillende subnets(die eventueel op een ander niveau gelegen zijn) kunnen voor een connecties die beperkt zijn tot het eigen subnet gebruik maken van dezelfde golflengte.
Connecties tussen twee niveau 0 subnets die verbonden zijn aan hetzelfde niveau 1 subnet, maken gebruik van de collectie golflengtes . Tot slot, connecties tussen twee niveau 0 subnets die moeten gerouteerd worden langs een niveau 2 subnetwerk, maken gebruik van de collectie golflengtes
.
Hoe worden de verschillende niveaus in het netwerk uit figuur ?? nu in de praktijk geïmplementeerd? Voor de niveau 0 subnetwerken wordt gebruik gemaakt van ‘Broadcast & Select Networks’ vermits deze geschikt zijn voor LANS. Voor de MANS en de WANS wordt gebruik gemaakt van ‘Wavelength Routing Networks’. Beide types van netwerken worden nu in detail besproken. a) LANS op basis van Broadcast & Select Networks
Figuur 6: Ster koppelaar
Broadcast & Select Networks zijn gebaseerd op een ster configuratie(zie figuur 6) waarbij een NxN ster koppelaar in het centrum van het netwerk wordt geplaatst en verbonden is via glasvezel met de eindnodes in het LAN. Elk van de transmitters in de eindnodes zenden een signaal uit op een verschillende golflengte (gaande van tot ) naar de ster koppelaar. Deze koppelaar combineert al de ontvangen signalen en verspreidt het samengevoegde signaal(dat nu bestaat uit een combinatie van al de aanwezige golflengtes) naar de receivers, aanwezig in elke eindnode. Hierbij wordt het vermogen van een signaal komende van een transmitter gelijk verdeeld over de verschillende receivers waarbij elke receiver dus een vermogen
ontvangt.
Voor een goede operatie van het netwerk moet elke eindnode een verbinding kunnen maken met gelijk welke andere node in het LAN. Daarvoor moeten de receivers in de eindnodes herstelbaar ingesteld worden zodanig dat ze al de gebruikte WDM kanalen kunnen ontvangen. Als station i wenst te zenden naar station j op golflengte , dan wordt vaak gebruik gemaakt van het Rainbow 2 protocol om de communicatie tussen beide stations op te zetten. Dit protocol werkt als volgt: 1. Station i stelt zijn ontvanger af op kanaal j te kunnen ontvangen.
om het ontvangstbevestigingssignaal van station
2. Station i zendt een periodiek herhalende boodschap uit die een identificatie van zowel het zendende station als de bedoelde bestemming bevat. 3. Station j scant voortdurend alle gebruikte WDM kanalen af en komt de vraag van station i op kanaal
tegen.
4. De reveiver in station j stopt met scannen en stelt zijn reveiver af op station i en zendt periodiek een ontvangstbevestigingssignaal uit op kanaal
.
5. Station i ontvangt het signaal van station j en start met het uitzenden van zijn boodschap op kanaal
.
6. Na het zenden van de boodschap wordt de verbinding op een gelijkaardige manier afgesloten en gaan de receivers in beide stations voort met het afscannen van alle gebruikte kanalen. Merk op dat beide nodes hun operaties asynchroon en onafhankelijk van elkaar uitvoeren. Het is hierbij mogelijk dat we in een deadlock komen. Immers, stel dat twee nodes bijna simultaan beginnen met het uitzenden van een 'connectie setup request' naar elkaar. In dat geval zullen ze beiden wachten op een ontvangstbevestigingssignaal van de andere, maar vermits ze beiden aan het wachten zijn komt dit ontvangstbevestigingssignaal nooit aan en blijven ze beiden wachten. Om dit probleem tegen te gaan, voorziet het Rainbow 2 protocol een time-out beveiliging. Als er binnen een bepaalde tijdspanne geen bevestiging ontvangen is, wordt de poging tot het opzetten van de verbinding onderbroken en keren de stations terug naar scanning mode. Waarom worden Broadcast & Select Networks enkel gebruikt voor LANS? Door het gebrek aan golflengte hergebruik zijn dergelijke netwerken niet schaalbaar en laten ze dus niet toe om een netwerk met een groot aantal knooppunten uit te bouwen. Vandaar dat voor MANS en WANS gebruik gemaakt wordt van Wavelength Routing Networks (WRN). b) MANS en WANS op basis van Wavelength Routing Networks
Figuur 7: Wavelength Routing Network (WRN)
Wavelength Routing Networks kanaliseren het uitgezonden vermogen naar een specifieke route tussen de bron en bestemming (en vermijden dus het uitzenden van signalen naar irrelevante bestemmingen). Hiernaast voorzien Wavelength Routing Networks een groot hergebruik van golflengtes in ruimtelijk disjuncte delen van het netwerk. Uit voorgenoemde eigenschappen blijkt dus dat Wavelength Routing Networks wel schaalbaar zijn! De topologie van een WRN is weergegeven in
figuur 7 waarbij elke router verbonden is met andere routers of met eindgebruikers. Om data tussen twee eindgebruikers te kunnen verzenden dient er een connectie opgezet te worden die gelijkaardig is aan het opzetten van een connectie bij circuit geschakelde netwerken. Er moet immers op voorhand capaciteit gereserveerd worden door een optisch pad(ook lichtpad genoemd) in het netwerk vast te leggen waarlangs de communicatie tussen de 2 gebruikers kan gebeuren. Een lichtpad wordt gekenmerkt door een bepaalde route in het netwerk en door de golflengtes die aan het lichtpad toegekend worden. Het toekennen van golflengtes moet zodanig gebeuren dat twee lichtpaden die over dezelfde fysische link lopen een verschillende golflengte op die link gebruiken. Het is wel mogelijk om aan één lichtpad meerdere golflengtes toe te kennen die dan in verschillende delen van het lichtpad gebruikt worden. Dit wordt gedaan om in een situatie zoals op figuur 8 weergegeven is, toch een lichtpad te kunnen opzetten.
Figuur 8: Voorbeeld om de nood aan golflengteconversie aan te tonen
In deze situatie is er op link 1 en 2 een vrije golflengte die echter wel verschilt van elkaar. Indien aan een lichtpad niet meerdere golflengtes zouden mogen toegekend worden, is het onmogelijk om een nieuwe verbinding tussen knoop 1 en 3 op te zetten. Als dat wel toegelaten is kunnen we wel een nieuwe verbinding opzetten. We kunnen dan immers volledige golflengte conversie in onze routers voorzien waarbij in het voorbeeld worden aan 1 lichtpad.
omgezet wordt in
en beide golflengtes dus toegekend
Het is duidelijk dat het optimaal bepalen van een route en de toegekende golflengtes van een lichtpad belangrijk is voor de performantie van optisch gerouteerde netwerken. Dit optimalisatie probleem is in de literatuur gekend als het ‘Routing and Wavelength Assignment problem’ of RWA probleem. Met een goede oplossing ervan kunnen meer klanten bediend worden door hetzelfde netwerk vermits verzadiging minder frequent zal optreden. Bekijken we de architectuur van een golflengte gerouteerd netwerk dieper, dan zien we dat de routers meestal ofwel optische add/drop multiplexers(OADM) of optische cross connects(OXC) zijn. Beide componenten worden nu besproken:
a) OADM: optical add/drop multiplexer
Figuur 9: Een optische add/drop multiplexer Een optische add/drop multiplexer (figuur 9) maakt het mogelijk om bepaalde golflengtes uit het binnenkomende signaal weg te filteren en nieuwe datasignalen bij het resterende signaal bij te voegen. De weggefilterde golflengtes worden vervolgens via een andere route over het netwerk gestuurd dan het nieuwe samengestelde signaal. Door hun lage complexiteit zijn optische add/drop multiplexers goedkoper dan hun elektronische variant. b) OXC: optical cross connect
Figuur 10: Een optical cross connect Een OXC is een golflengte selectieve switch die de N ingangsvezels (met telkens n WDM kanalen) eerst gaat demultiplexen, vervolgens gaat routeren doorheen de switch om ten slotte het resultaat te recombineren tot N nieuwe uitgangen. Hierbij is het dus mogelijk om een signaal van gelijk welke ingangspoort naar gelijk welke uitgangspoort te routeren en bovendien zijn golflengte aan te passen met behulp van de golflengte convertor. De grote switch wordt geconstrueerd met behulp van een groot aantal 2x2 crosspoints (figuur 11) die een optisch signaal van 2 ingangspoorten naar 2 uitgangspoorten routeren. Een 2x2 crosspoint heeft 2 mogelijke toestanden waarbij de gewenste toestand gekozen kan worden door het aanleggen van een controle signaal. De mogelijke toestanden zijn: ‘cross state’ en ‘bar state’.
Figuur 11: 2x2 crosspoints, a) bar state b) cross state In bar state worden de signalen aan de bovenste respectievelijk onderste ingangspoort geleid naar de bovenste respectievelijk onderste uitgangspoort. In crosstate worden signalen aan de bovenste ingangspoort geleid naar de onderste uitgangspoort en andersom.
Bedenkingen bij de implementatie van een wavelength routing network. In deze paragraaf geven we enkele bedenkingen bij de hierboven beschreven implementatie van golflengte gerouteerde netwerken. Deze bedenkingen houden verband met kostenoverwegingen maar ook met enkele details die in de beschreven implementatie weggelaten werden. a) Regeneratoren Bij het overbruggen van lange afstanden met een optische vezel moet men rekening houden met de optredende verliezen. Afstanden van ongeveer 50 km kan men zonder versterking van het signaal afleggen. Gaat men verder, dan is het gebruik van regeneratoren onoverkomelijk. In figuur 7 werden geen regeneratoren getekend, maar bij een werkelijke implementatie van een WRN worden er altijd tal van regeneratoren voorzien. Het voordeel van optische regeneratoren tegenover hun elektrische variant is dat de verschillende kanalen simultaan versterkt kunnen worden, daar waar bij elektrische regeneratoren elk kanaal afzonderlijk versterkt moet worden. Om een signaal optisch te versterken gebruikt men momenteel drie methodes: gedopeerde vezelversterkers, optische halfgeleiderversterkers en niet-lineaire optische vezelversterkers. Het is de eerste methode die we nu verder zullen bespreken. Een optische vezelversterker die vaak gebruikt wordt is de erbium doped fiber amplifier (EDFA versterker). Het principeschema wordt weergegeven in figuur 12 en is eenvoudig uit te leggen: Een halfgeleider laserpomp brengt een krachtige lichtstraal (typisch 1480 nm) in een met erbium gedopeerd stukje glasvezel van enkele meters lang. Het pomplicht en het te versterken ingangssignaal gaan hierbij in tegengestelde richting door hetzelfde stukje gedopeerde glasvezel. Het pomplicht exiteert de erbium atomen met als gevolg dat het signaallicht door gestimuleerde emissie optisch versterkt zal worden.
Figuur 12: Erbium doped fiber amplifier
b) Variant op de algemene OXC De optical cross connects zoals weergegeven in figuur 10 hebben een zeer hoge fabricage kost. Vandaar dat op een aantal plaatsen de dure OXC vervangen wordt door een variant weergegeven in figuur 13. In deze configuratie kan slechts op twee ingangssignalen een golflengteconversie toegepast worden. Hierdoor wordt de complexiteit van het RWA probleem nog vergroot vermits we nu ook zo optimaal mogelijk moeten beslissen op welke ingangssignalen we een golflengteconversie gaan toepassen. De kostprijs van een optical cross connect daalt hierdoor echter wel sterk.
Figuur 13: Variant op de OXC uit figuur 10
3. Conclusie Momenteel treffen we wereldwijd opto-elektrische netwerken aan. Het grote nadeel hierbij is echter de elektronische bottleneck en de verwerkingstijd in de knooppunten die bij dit type van netwerken onoverkomelijk is. Door de steeds groter wordende vraag naar hogere bandbreedtes, hogere snelheden en hogere flexibiliteit is er stilaan een evolutie te merken naar volledig optische netwerken. Het vervangen van de bestaande netwerken door volledig optische netwerken gaat momenteel echter nog te vaak gepaard met te hoge investeringskosten. Vandaar dat volledig optische netwerken nog maar sporadisch gebruikt worden. De data trafiek zal echter blijven groeien en de DWDM technologie zal zich nog verder ontwikkelen waardoor er steeds meer golflengtes op een glasvezel gemultiplexed kunnen worden. Bovendien is de investeringskost van optische netwerken de laatste jaren aanzienlijk gedaald. Vandaar dat het er momenteel naar uit ziet dat in de nabije toekomst, de overstap naar volledig optische netwerken, steeds vaker gemaakt zal worden.
4. Referenties http://www.electronics.dit.ie/staff/ysemenova/OCS/Wavelength%20Division%20Multiplexing.pdf http://www.urec.fr/hd/DWDM/CIENA/dwdm_ciena.pdf http://www.fiberoptics4sale.com/wordpress/wpcontent/uploads/2009/03/dryfibernowatervapor.gif http://www.fke.utm.my/elektrika/dec08/paper3dec08.pdf http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/f/f2/Arrayed-Waveguide-Grating.svg http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/6/6d/Doped_fibre_amplifier.svg http://www.fke.utm.my/elektrika/dec08/paper3dec08.pdf Altan K., Demeter G., Semih B. , ‘All Optical Networking’, Electrical Engineering vol.9, 2001 Sharam H, ‘Communication Networks’, PragSoft Corporation NCS, ‘All optical networks (AON) ‘ , Technical information bulletin 007
