Sonny Johansson, Antonio Manzalini, Mario Gionnoccaro, Roberto Cadeddu, Massimo Giogi, Roberto Clemente, Roland Brändström, Andreas Gladisch, Jamil Chawki, Lars Gillner, Peter Öhle’n, and Eilert Berglind

WDM-tekniikka (Wavelenght division multiplexing) on tällä hetkellä käytössä lähinnä optisessa kaukoverkossa. Sen avulla on pystytty huomattaviin kustannussäästöihin lisäämällä siirtokapasiteettia jo olemassa oleviin kuituihin ja vähentämällä tarvittavien verkkoelementtien määrää. Tässä artikkelissa tarkastellaan WDM-tekniikan soveltumista myös suurkaupunkialueilla. Tutkimuksessa on erityisesti painotettu WDM-tekniikan tarjoamia uusia taloudellisia mahdollisuuksia verkkojen suunnittelussa ja monimuotoisten palveluiden tarjoamisessa. Käytännön esimerkkinä on käytetty Milanon kaupungin verkkoa.

Kaukoverkossa WDM-tekniikalla saavutetaan kustannussäästöjä lisäämällä siirtokapasiteettia jo olemassa oleviin kuituihin. Suurkaupunkien alueilla optisesta siirtotiestä ei yleensä ole pulaa. Kustannuksia aiheuttavat lähinnä tarvittavat verkkoelementit, päätelaitteet ja eri palveluiden tarvitseman kapasiteetin vaihtelu.

WDM-tekniikka tarjoaa rakenteellista joustavuutta suurkaupunkien jatkuvasti kasvaviin verkkoihin. Esimerkkinä voidaan mainita kahden solmun välisen liikenteen väliaikainen huomattava kasvu. WDM-tekniikka mahdollistaa tilapäisen optisen yhteyden muodostamisen suoraan näiden solmujen välille. Tällöin ei kapasiteettia tarvitse varata jatkuvasti ruuhkahuippujen varalle, eikä muu verkko kuormitu yksittäisen yhteyden suuresta kuormasta.

WDM-tekniikka tarjoaa myös uuden lähestymistavan kaupunkiverkkojen suunnittelulle. Verkon topologia koostuu kahdesta kerroksesta: WDM-renkaista ja tukiverkosta. Verkon rakennetta eli linkkien ja solmujen määrää ja sijaintia optimoitaessa on otettava huomioon tarjottava palvelustartegia, tarvittava kapasiteetti ja verkon rakentamis- ja ylläpitokustannukset. Artikkelissa on vertailtu eri verkkotopologioiden ja terminaalien aiheuttamia kustannuksia kolmella eri aikajänteellä. Lisäksi on tarkasteltu puhtaasti optisen verkon ja optoelektronisen verkon tarjoamien palveluiden laajuutta.

Tässä artikkelissa käsiteltiin ainoastaan itsensäkorjaavia (self-healing) verkkoja, joissa on kaksi tai useampia kuituja. Vaikka WDM –rengas saattaakin ensinäkemältä näyttää yksinkertaiselta ja helpolta, kuuluu siihen niin paljon erilaisia parametrejä, että kun kaikki ne on ottanut huomioon, voi yksinkertaisuuden unohtaa. Seuraavaksi on käsitelty muutamia näistä WDM –renkaan arkkitehtuurin parametreistä:

• Eräs perusominaisuus renkaalle on signaalin lähetyssuunta normaalioloissa. Tähän on kaksi vaihtoehtoa: joko aina lähetetään samaan suuntaan (yksisuuntainen rengas, unidirectional ring, UR), tai sitten lähetetään molempiin suuntiin (kaksisuuntainen rengas, bidirectional ring, BR).
• Virheen sattuessa renkaassa voidaan liikenne ohjata varakuidulle (spare fibers, SF) tai vara-kanavalle (spare wavelengths, SW).
• Verkon varmistusarkkitehtuuri voidaan muodostaa myös kahdella tavalla: osoitettu suojaus (dedicated protection, DP), joka tarkoittaa sitä, että jokaisella polulla (trail) on oma, sille osoitettu varapolku; jaettu suojaus (shared protection, SP) taas tarkoittaa sitä, että usealla polulla voi olla sama varapolku, tai poluilla on jonkinlainen yhteys, kun ne on suojattu. DP –arkkitehtuuri voidaan muodostaa kahdella tavalla: joko 1+1 –suojauksella, jolloin informaatio on aina tuplattu varapolulla tai 1:1 –suojauksella, jolloin varapolkua voidaan käyttää tiedon siirtoon silloin, kun sitä ei tarvita suojaukseen.
• Suojattu kytkentä voidaan tehdä eri toiminnallisilla tasoilla. Suojaus voidaan siis hoitaa esim. optisen kanavan tasolla (optical channel level, OCHP).
• Vielä saadaan kaksi eri luokkaa sen mukaan, onko arkkitehtuuri riippuvainen yhteyksien määristä verkossa. Kun kanavien määrä on suhteessa haluttuihin yhteyksiin, on verkkoarkkitehtuuri tunteeton (pattern insensitive, PI). Jos määrä ei ole suhteessa haluttuihin yhteyksiin, on verkko otettava huomioon ja verkkoarkkitehtuurin määrää terminaalien sijainti (pattern sensitive, PS). PS arkkitehtuuri on aina vähintään yhtä tehokas kuin PI arkkitehtuuri.

Edellä mainituista ominaisuuksista saadaan kuusitoista toimivaa kokonaisuutta. Kaikki niistä ei kuitenkaan on järkeviä eikä realistisia, joten tässä artikkelissa on paneuduttu kahdeksaan eri verkkomalliin, jotka on lueteltu taulukossa 1.

Taulukko 1 ja kuva 1 sivulta 1111.

Kuvassa 1 on esitelty muutama verkkoarkkitehtuuri. Taulukosta 1 voidaan nähdä kanavien lukumäärä solmukohtien funktiona eri verkkoarkkitehtuureissa.

Optiselle aliverkkoyhteydelle on kaksi perustapaa.

• Optinen WDM-aliverkko on kytketty SDH- tai ATM-tasolla. Tämä tarkoittaa sitä, että aliverkkoja ei olla yhdistetty suoraan optisesti.
• Optiset WDM-aliverkot on kytketty optisilla kanavilla optisessa kerroksessa.

Ensin mainittu lähestymistapa on suositeltava ratkaisu, kun halutaan laajentaa pienissä erissä verkkoa optiseksi WDM-systeemiksi. Jos yhteyden kapasiteetti kasvaa suureksi, voidaan ottaa käyttöön jälkimmäinen vaihtoehdoista eli suora optinen yhteys.

Suurin osa SDH-verkon yhteensopimisvaatimuksista voidaan soveltaa myös optiseen verkkoon.

• Aliverkkojen tulee voida kommunikoida joko yhden tai kahden gatewayn kautta.
• Palvelu ei saa häiriintyä kahden eri aliverkon solmun välillä, vaikka jossakin aliverkon solmussa tapahtuisi virheitä.
• Solmujen ei tarvitse olla naapureita kommunikoidakseen.
• Suojatun aliverkon pitää saada yhteys toiseen aliverkkoon riippumatta siitä, mikä on kyseisen aliverkon suojauksen taso.
• Yhteydessä tapahtuvia vikoja vastaan on oltava suoja.
• Aliverkon yhdistäminen ei saa vaatia molemminpuolista signalointia.

Vaikka läpinäkyvä optinen yhteys tarjoaakin suuren joustavuuden datanopeudessa, on uudelleengeneroivalla elementillä varustettu yhteys paljon käytännöllisempi. Tällöin verkossa voidaan käyttää eri laitevalmistajien tuotteita sekaisin. Tällöin voidaan myös lähettää lähes mitä vain.

Verkkoa suunniteltaessa tulee ottaa monenlaisia asioita huomioon, kuten:

• mitä palveluja verkossa aiotaan tarjota
• kuinka paljon kaistaa tarvitaan
• mikä on odotettu penetraatio
• mitä palveluja (kehittyviä palveluja) on odotettavissa
• mikä tekniikka taustalla (kytkimet ja välitys)
• mahdollinen verkkotopologia

Artikkelissa keskityttiin asunto- ja pienyritysalueisiin. Kyseisille alueille valittiin kuusi eri palveluluokkaa. Luokat eivät eroa pelkästään kaistansa puolesta (joka on tosin näkyvin ero!), vaan myös monien muiden teknisten seikkojen puolesta. Luokat on esitelty taulukossa 2.

Taulukko 2 sivulta 1114

Kuva 6 sivulta 1114

Kytkentäinen verkko tarjoaa loppukäyttäjälle lopulliset palvelut. Kuvassa 6 on verkkoarkkitehtuuri ATM-kytkennän mukaan. Ryhmä tilaajia on yhdistetty päätesolmuun (termination node, TN) joka puolestaan yhdistää liikenteen paikallisverkon kytkimeen (local node, LN). LN pystyy kytkemään yhteyksiä oman aliverkkonsa sisällä, mutta ei pysty yhdistämään päätettä suoraan viereisen paikallisverkon päätteelle. Tähän tarvitaan korkeamman tason kytkentäverkko (backbone node, BN). Jokainen LN jakaa liikenteen kahden BN:n välille. Täten saavutetaan korkea palvelutaso. Samanlaista toimintoa voitaisiin käyttää alemmilla tasoillakin, mutta se nostaa huomattavasti verkon kustannuksia.

SDH- ja WDM-teknologioiden yhdistelmää on käytetty hyväksi siirtoverkoissa. WDM-tekniikalla päästään siirtonopeuksiin 622 Mb/s, 2,5 Gb/s tai 10 Gb/s riippuen siitä, millaista linjaterminaalia käytetään. SDH-kerroksella on ajateltu ainoastaan nopeutta 140 Mb/s (VC-4). Siirtoverkko on jaettu kahteen eri renkaaseen: paikallis- (local) ja runkoverkkoon (backbone). Näiden välillä ei kulje läpinäkyvää optista reittiä. Tämä tarkoittaa sitä, että dataa pitää muokata, ennen kuin se pääsee toiseen verkkoon.

MilanNet –mallissa verkko on jaettu mesh backbone ja paikalliseen verkkoon. Verkkotopologia on esitetty kuvassa 7. Kyseiseen topologiaan päädyttiin yhteysvaatimusten sekä rajoitetun kanavien määrän (kahdeksan) takia.

Kuva 7 sivulta 1115

Kustannusarviota laadittaessa tulee ottaa huomioon solmujen laitteet, linjaterminaalit ja optinen kuitu. Optisten laitteiden hintaa on vaikea määrittää, varsinkin pitkällä tähtäimellä.

Paikallinen rengasverkko on mitoitettu kahteen eri tapaukseen: WDM-lähestymistapa käyttäen OADM:ää (Optical add/drop multiplexer), perus-SDH-tapauksessa käyttäen sähköistä add/drop multilexeriä eli ADM:ää. Näitä kahta tapaa vertailtaessa saadaan syntymään suuriakin säästöjä. WDM näyttää aluksi hyvältä, mikä johtuu siitä, että WDM varaa ylimääräistä kapasiteettia. Eli WDM ei käytä hyväkseen kaikkea varaamaansa kapasiteettia. WDM renkaat ovat paljon kalliimpia kuin SDH:t pääasiassa WDM-linjaterminaalien hinnoista johtuen.

Silmukkaverkon kytkentäarkkitehtuuri on kaksijakoinen. Paikallisverkkoon kytketään kaksi yhteyttä; yksi kumpaankin BN:ään. Enimmillään oletetaan, että kuidussa voi olla kahdeksan kanavaa, mikä vaaditaan myös paikallisverkoilta. Mitoitus tehdään samalla SDH- ja WDM-päätteille. Kuvassa on 11 on jakauma eri WDM- ja STM-päätteiden välillä.

Kuva 11 sivulta 1118

Lyhyellä aikavälillä yhdellä OXC:llä tai ilman sitä WDM-päätteet eivät ole kustannustehokkaita, koska ne ovat SCH-päätteitä kalliimpia. Kehittyneemmissä verkoissa, joissa on enemmän OXC:itä, WDM:t alkavat dominoida. Kun verkossa on suurempi määrä OXC:itä, linjoja tarvitaan vähemmän. Tämä pätee etenkin keskipitkällä ja pitkällä aikavälillä.

Linjojen pienempi tarve johtuu siitä, että keskisolmuilla kulkee enemmän liikennettä kun käytetään useampia OXC:itä. Tästä aiheutuu kustannussäästöjä.

Kustannussäästöjä aiheutuu siis kun

- sähkölinjojen ulottuvuus pienenee

- kuitujen määrä vähenee koska kanavia on enemmän

- päätteiden kokonaismäärä vähenee

On huomattava, että jo rakennettujen kuitujen ylläpito aiheuttaa kustannuksia.

Kappaleessa hubirengasta verrataan full mesh –yhtenäiseen renkaaseen. Vertailun helpottamiseksi monia asioita yksinkertaistettiin. Koska STM.16 on yleisin terminaalityyppi, sitä käytetään tähän analyysiin. Dispersio vältetään lyhyillä välimatkoilla, mikä toimii kaupunkiverkossa.

Kanavien määrä voidaan laskea solmujen määrästä. Solmujen ja kanavien suhde on taulukossa 1. Hub-renkaalle kanavia on N-1 kappaletta, jossa N on solmujen määrä. Koko silmukkarenkaalle suhde on N(N-1)/2.

Kuvassa 14 on solmujen määrän ja välimatkan lasketut tulokset. Viivat näyttävät hubin ja silmukan toimintasäteen. Saaduista tuloksista nähdään, että solmujen suurin mahdollinen määrä yhdessä renkaassa on 9. Maksimivälimatka on tällöin 60 km. Jos halutaan yhtenäinen silmukka, maksimivälimatka on 45 km, joka on vielä kohtuullinen kaupunkiolosuhteissa.

Kuva 14 sivulta 1119

Aikaisemmissa kappaleissa oletettiin, että kaikki toiminnot ovat optisia. Tällä tavoin polusta saatiin läpinäkyvä.

Varteenotettava lähestymistapa on kuitenkin OEO (optic-electronic-optic). OEO voi olla bittinopeuden osalta läpinäkyvä binaariselle AM-signaalille. Yksittäisten komponenttien ja kokonaisten laitteiden kaistanleveys voi olla jopa 40GHz. Toimivuus voi parantua OEO:n avulla.

Puhtaasti optisessa systeemissä on monia ongelmakohtia. OEO:ssa ylikuulumista voi välttää, pulssia muotoilla ja aallonpituutta muuttaa. Sopivan systeemin valinta tehdään toiminnan, hinnan ja suorituskyvyn perusteella.

OEO-XC (Optic-electronic-optic cross connect) säästää linjaterminaaleja ja sillä tavoin myös kustannuksia. Terminaaleja tarvitaan vain paikallisliikenteelle. Suojakytkennöissä OXC suojaa vain kuitulinjoja, ei terminaaleja, koska ne on sijoitettu terminaalien eteen. Läpimenoliikenne vaatii kaksi terminaalia yhtä optista kanavaa kohti, yksi itään ja toinen länteen. OEO-XC suojaa koko systeemiä, sekä kuitua että terminaaleja. Toinen OEO-XC:n piirre on kanavien estottomuus. Kanava-allokointi solmun ulostulossa on täysin riippuvainen sisääntulojen allokoinnista. Tämä yksinkertaistaa verkon reititystä.

Seuraavaksi tutkittiin OEO:n siirtosuoritusta. Kuvassa 16 on yksinkertaistettu laite. Ei-lineaarisuus määritellään parametrilla g , jossa g =0 on ideaali ja g =1 lineaarinen.

Disperisiota voidaan vähentää lisäämällä looginen invertteri jokaiseen OEO:hon.

Kuva 16 sivulta 1120

WDM-renkaan arkkitehtuurit määriteltiin, jolloin saatiin kahdeksan erilaista. Riippumatta arkkitehtuureista voidaan toteuttaa neljä perusyhteystyyppiä WDM-renkaassa. Tarvittujen kanavien määrä saatiin solmujen funktiona. Renkaasta-renkaaseen-kytkentöihin käytetään drop-and-continue-funktiota.

MilanNet-tutkimuksen aikana tuli todistettua, että WDM-verkko voidaan mitoittaa optimoidusti. Jopa säästöjä saadaan aikaan. Verkko jaettiin kahteen toisistaan optisesti eristettyyn kerrokseen, jotka käsittivät 12 paikallista WDM-rengasta ja runkoverkon, jossa oli 13 solmua.

Runkoverkkoa tarkasteltaessa todettiin, että päätteiden määrä pieneni kun OXC:ien määrä kasvoi. Myös nopeus läheni STM-16-luokkaa. Tavallisin pääte oli LT_W ATM-16 keskipitkällä ja pitkällä aikavälillä, kun kuitua kohti oli korkeintaan kahdeksan optista kanavaa.

Suurimpaan paikalliseen WDM-renkaaseen tuli yhdeksän solmua, jotka vaativat kahdeksan kanavaa. Nykyisellä kapasiteettitarpeella WDM-ratkaisu ei ole taloudellisesti järkevä. Sitä pidetään kuitenkin kiinnostavana tiettyjen palveluiden, joissa kapasiteettia vaaditaan enemmän, kannalta. Transmission osalta näytettiin, että WDM-rengas on 30% laajempi kuin vastaava silmukkamalli.

Toimivuutta voidaan parantaa käyttämällä OEO-laitteita. Tällöin tarvitaan enemmän terminaaleja tietämättä säästetäänkö loppukustannuksissa.

Tällä hetkellä WDM-tekniikka ei vielä tarjoaa riittävän suuria kustannussäästöjä suurkaupunkialueella. Tulevaisuudessa kuitenkin yhä useampi siirtotie ja välitysjärjestelmä on toteutettu optisilla instrumenteillä ja uudet palvelut kuten Video-on-demand vaativat jatkuvasti kasvavaa siirtokapasiteettia. Vaikka WDM-tekniikka ei tänä päivänä vaikuta taloudellisesti kannattavalta vaihtoehdolta suurkaupunkien alueilla, voi tilanne kymmenen vuoden kuluttua olla jo aivan toinen.