WDM - Wave-Division Multiplexing


Vesa Kärpijoki
Viimeksi pävitetty 31.10.1997



Sisällysluettelo


Johdanto

Tietoverkkojen resurssien tarve kasvaa jatkuvasti kiihtyvällä vauhdilla lähestyttäessä vuosituhannen vaihdetta. Valtavasti lisääntyvä kiinnostus multimedian ja muiden raskaiden palveluiden siirtoon palveluntarjoajilta kotikäyttäjille takaa sen, ettei vanhoilla tekniikoilla pystytä pian enää palvelemaan koko ajan laajenevaa asiakaskuntaa riittävän tehokkaasti. Siksi uutta digitaalisten televerkkojen siirtojärjestelmää SDH:ta (Synchronous Digital Hierarchy) aiotaan täydentää täysoptisella WDM-tekniikalla. WDM (Wavelength-Division Multiplexing) on optinen tiedonsiirtokapasiteetin jakamistekniikka, jossa samassa kuidussa lähetetään valoa useilla eri aallonpituuksilla. Se tuo yhä nopeamman ja tehokkaamman tiedonsiirtotavan vanhempaa tekniikkaa käyttäviin runkoverkkoihin, joten 'utopiat' Tiedon valtatiestä saattavat sittenkin toteutua varsin pian.


WDM:n nousu pinnalle

WDM-tekniikka on itsessään jo ollut olemassa yli kuusi vuotta, mutta vasta kahden viime vuoden aikana siitä on muodostunut merkittävä tekijä tiedonsiirtoa kehitettäessä. Mutta mitkä sitten ovat syyt WDM:n nopeaan nousuun? WDM tarjoaa vanhempiin tiedonsiirtotapoihin verrattuna täysin eritasoisen tiedonsiirtonopeuden raskaasti verkon kaistanleveyttä kuluttavien palveluiden tehokkaaseen käyttöön - vieläpä sellaisella hinnalla, johon palveluntarjoajilla on jo nyt varaa. Bell Communications Research Inc. on arvioinut, että vuoteen 2000 mennessä kaistanleveyden tarve on 500 prosenttia korkeampi kuin vuoden 1997 alussa, joten tällaiselle tiedon valtatien tehostamiskeinolle on ymmärrettävästi kova kysyntä. [1]

WDM käyttää optista kuitua siirtomedianaan, mikä osaltaan on vaikuttanut tekniikan nopeaan kehittymiseen - mm. Yhdysvalloissa maanlaajuisissa verkoissa 80% siirtotiestä on valokuitua, samoihin lukuihin päästään myös Japanissa ja Länsi-Euroopassa. Pääsyy WDM:n hurjaan nousuun lienee kuitenkin ns. tiheän WDM:n (dense WDM) kehittäminen pari vuotta sitten. Tiheä WDM tarjoaa useita (neljä tai enemmän) kanavia 1550 nanometrin aallonpituuskaistalla. Näin neljä suurinta maanlaajuista yhdysvaltalaista tietoliikenneyritystä - AT&T, MCI, Sprint ja ldds Worldcom - rupesivatkin ostamaan valtavalla vauhdilla dense-WDM -tuotteita pysyäkseen siirtonopeuskehityksen kärjessä - kaksi vuotta sitten tiheätä WDM:ää ei käyttänyt kukaan [2]. Vuoden 1997 alussa dense WDM:ää käyttäviä järjestelmiä oli myyty noin 200 miljoonaa dollarin arvosta (yli miljardi markkaa), ja vuoteen 2000 mennessä arvioidaan tiheän WDM:n vuotuisten myyntimarkkinoiden saavuttavan jo miljardin dollarin rajan (5,2 miljardia markkaa sekä Yhdysvalloissa että muualla maailmassa. Kuvaavaa on esimerkiksi yhdysvaltalaisen WDM-järjestelmien valmistajan Ciena Corp. -yhtiön nousu: Viime vuonna yritys sai WDM-tuotteillaan noin 55 miljoonan dollarin (vajaat 300 miljoonaa markkaa) voiton, mutta listauduttuaan Nasdaq-pörssiin ensimmäisenä päivänä Cienan osakkeita ostettiin 3.4 miljardin dollarin (noin 18 miljardia markkaa) arvosta! Ciena pörssiarvo oli siis ensimmäisen päivän lopuksi yli 60-kertainen voiton määrään verrattuna - kaikkien aikojen ennätys. [1,3]

WDM tullee menestymään lähivuosina, kun markkinoille tulee lisää nälkäisiä yrityksiä taistelemaan yhä kehittyneemmillä tekniikoillaan markkinaosuuksista. Näin WDM:n 'isoveljen' - TDM:n (Time Division Multiplexing) aika saattaa käydä vähiin, sillä TDM:stä ei välttämättä pystytä enää puristamaan lähitulevaisuudessa jo tärkeää 40 Gbps:ää ulos käytännön sovelluksissa. WDM:n elinkaari on puolestaan vasta alussa, mikä näkyy WDM:llä toteutettujen verkkojen topologiassa - tällä hetkellä WDM:llä voidaan implementoida vain point-to-point -kaukoverkkoja, monimutkaisempiin topologioihin (kuten rengas) ei vielä päästä luotettavasti. WDM:ssä on nykyisin vielä muitakin puutteita, joiden vuoksi verkkopalveluiden tarjoajien on tehtävä vaikea päätös TDM:n ja WDM:n välillä. [1]


WDM:n teknologia

Nykyisissä optiikkaan perustuvissa runkoverkoissa alkaa olla runsaasti ongelmia tiedonsiirtonopeuksien kasvaessa rajusti. Ongelma johtuu verkon elektroniikasta ja kytkintekniikasta: runkoverkossa on valtavasti sähköisillä signaaleilla operoivia laitteita, esimerkiksi vahvistimia, jotka vaativat datasignaalin konvertoimisen optisesta sähköiseksi ja edelleen takaisin. Lisäksi runkoverkko on yleensä rakennettu TDM-tekniikalla SDH:n (Eurooppa) tai Sonetin (Synchronous Optical Network, SDH:n 'amerikanserkku') päälle; nekin toimivat piirikytkentäisesti sähköisillä signaaleilla. Juuri jatkuvista resursseja syövistä konversioista johtuen TDM:ssä ei ehkä koskaan ylletä luotettavasti 40 Gbps:n nopeusstandardiin.

WDM toimii TDM:n tavoin SDH:n päällä (ks. kuva 1). WDM ja optinen kytkentä muodostavat yhdessä televerkon optisen siirtokerroksen. Optinen siirtokerros tarjoaa palveluja SDH:n käyttöön tai haluttaessa suoraan jopa ATM:n käyttöön. [4] WDM:tä käyttävissä runkoverkoissa voidaan TDM:n sijaan unohtaa em. optinen- sähköinen -konversiot, sillä add/drop-multipleksereillä, ristiinkytkennöillä ja photonic switching:illä verkko saadaan erittäin tehokkaaksi ja näin vältetään TDM:n kytkentäongelmat - ja kaiken lisäksi säästetään paljon rahaa. Lisäksi WDM:llä saadaan N-kertaistettua optisen verkon tiedonsiirtonopeus, jos tiedonsiirrossa käytetään N:ää eri valoaallonpituutta. Ideaalisissa laboratorio-oloissa on päästy Telecom Finlandin ATM-tuotepäällikön Pekka Töytärin mukaan jo 25 Tbps:n nopeuteen, mikä olisi noin 25-kertainen nopeus Yhdysvaltojen koko dataliikenteeseen! [3] Tällä hetkellä WDM:llä pystytään laajentamaan OC-48 -putken (2.4 Gbps) kaistanleveyttä 16-kertaiseksi 40 Gbps:ään, vuoden päästä ehkä 80 Gbps:ään (32 aallonpituutta) tai 100 Gbps:ään (40 aallonpituutta). Suunnitelmissa on myös OC-192:n (n. 10 Gbps) käyttöönotto 8:lla aallonpituudella (80 Gbps). Optiset kytkimet tullevat markkinoille vasta vuosituhannen vaihteessa. [1,4]

Tässä pitäisi olla hieno kuva
Kuva 1: optinen siirtokerros

Viitteestä [1] löytyy hyvä esimerkkitapaus WDM:stä: käytössä on OC-48 -runkoverkko (nopeus 2.4 Gbps), joka jaetaan 16:een OC-3 -kanavaan. Tiheän WDM:n avulla (16 aallonpituutta käytössä) verkon palveluntarjoaja voi laajentaa verkkoa niin, että 16:n putken sijasta saadaan 240 OC-3 -putkea asiakkaille (16 OC-3:sta * 16 aallonpituutta miinus 16 alkuperäistä multipleksoimatonta OC-3 -putkea). Tämän vuoksi WDM on erityisen hyödyllinen: mikäli tarvittaisiin lisää linjoja asiakkaille, TDM & SDH -yhdistelmällä saman lisäkaistanleveyden saamiseksi täytyisi joko hankkia uutta TDM-tekniikkaa (konversiot sähköstä optiseksi maksavat paljon) tai jouduttaisiin jopa rakentamaan lisää kuitua yhteyksien yli. WDM:ssä voidaan lisäksi minimoida lähtökustannukset asentamalla ja ottamalla käyttöön vain se määrä aallonpituuksia kun sillä hetkellä tarvitaan. Toisaalta OC-192 TDM-tekniikan käyttäminen voisi taas olla perusteltua siksi, että järjestelmää käytetään alemmilla tiedonsiirtonopeuksilla jo nyt laajalti. WDM:n kustannukset tulevat yleensä koko järjestelmän osalta suuremmiksi kuin vastaavan nopeuden TDM, jos verkonhallinta osoittautuu raskaaksi tehtäväksi. [1,5]

Vaikka WDM-tekniikkaa hyödynnetäänkin maalaajuisissa runkoverkoissa, pienempiin verkkojärjestelmiin se ei vielä sovellu. Tämä johtuu hintavista lähetin-vahvistimista (transponder), joita tarvitaan konvertoimaan signaaleja järjestelmistä toiseen siirryttäessä (kun WDM:ää esim. ei ole integroitu osaksi Sonet:ia) tai kun halutaan yhdistää eri järjestelmistä tuleva data yhtessä kuidussa kulkevaksi dataksi. Tämä on myös TDM-järjestelmien etuna; ne eivät tarvitse erikseen jokaiselle aallonpituudelle tehtyä optista lähetintä ja vahvistinta. [1,5]


Tulevaisuus

WDM:n käyttöönotto on alkanut laajamittaisesti vasta Yhdysvalloissa viime vuonna. Eurooppa laahaa tässä asiassa pari vuotta jäljessä, rapakon tällä puolella WDM-tekniikan käyttö aloitetaan yleisesti vasta ensi vuonna - myös Suomessa. Euroopan kansalliset teleyhtiöt, kuten Telefónica de España ja British Telecom, kokeilevat tällä hetkellä jo WDM-järjestelmiä, ja Ranskassa ollaan myös aloittamassa optisten verkkojen testausta. [6]

WDM:n monista verkon tiedonsiirron nopeuttamiseen liittyvistä hyvistä puolista huolimatta verkkojen rakentajien on tarkasti harkittava WDM:n kannattavuutta. Tällä hetkellä valmiina olevan optisten kaapelin vähyyden lisäksi ongelmina ovat (ainakin vielä jonkun aikaa) hinta ja verkonhallinta. Tosin Pekka Töytärin mukaan WDM:n suurena etuna vanhempaan tekniikkaan (TDM + SDH) verrattuna on verkonhallinnan helpottuminen. SDH:lle ei hänen mukaansa ollut määritelty riittävän hyvää verkonhallintaspeksiä, joten SDH:n hallinta on vaikeaa. Sen sijaan jotkin WDM-järjestelmät tukevat TCP/IP-maailmasta tuttua SNMP-verkonhallintaprotokollaa, joten tämän luulisi pitemmällä aikavälillä helpottavan WDM:n käyttöönottoa. [3]

Verkonhallinta ja luotettavuus ovatkin tärkeitä seikkoja absoluuttisen nopeuden sijasta, ja siksi WDM ei tällä hetkellä vielä yleisesti ole tarpeeksi hyvä valtaamaan markkinat täysin. WDM kuitenkin tuo tullessaan paljon lisää kaistaa kuluttajien käyttöön - alemmilla hinnoilla, sillä uuden tekniikan esiintuleminen tuo kilpailua varmasti lisää. Lisäksi tällä hetkellä valokuidun maksimiresursseja ei osata läheskään käyttää, joten WDM-tekniikka tuo tältäkin osin helposti lisää tarjottavaa kuluttajille - samoista valokuiduista saadaan koko ajan enemmän irti. Näin kuluttajille voidaan tarjota jatkuvasti parempia ja tehokkaampia verkkopalveluita, kuten multimediaa, videoneuvottelupalveluita ja Internet-yhteyksiä, tarvitsematta jatkuvasti rakentaa kaapeliviidakkoa maan alle. Valokuidun teoreettista maksimisiirtonopeutta ei olla läheskään vielä saavutettu käytännön sovelluksissa, joten valokuidun käyttö jatkuvasti kehittyvien WDM-tekniikoiden avulla saattaa vihdoin johtaa Tiedon valtatielle.


Lähteet

[1] Tele.com: Infinite Bandwidth!
<URL: http://www.teledotcom.com/0497/features/tdc0497fiber.html>

[2] Lightwave News -- December 1996
<URL: http://www.lfw.com/www/LW/1996/december/12news10.htm>

[3] Pekka Töytäri: Uudet verkkotekniikat, luento 30.10.1997 (Tlark)

[4] Suomalaisen tiedon valtatien tekninen kehitys (2/3)
<URL: http://www.telmo.fi/tiveke/raportit/tekeh2.htm>

[5] Tele.com: Multiplexing causes confusion
<URL: http://www.teledotcom.com/0497/opinion/tdc0497purchasing.html>

[6] Tele.com: Dense wavelength-division multiplexing
<URL: http://www.teledotcom.com/0497/features/tdc0497fiber.side1.html>


Lisätietoa aiheesta

Teknistä tietoa aiheesta

All-Optical Networking Consortium Homepage (****)
<URL: http://www.ll.mit.edu/aon/>

Dense WDM (**)
<URL: http://opt-fibres.phys.polymtl.ca/publi/3/beijing.html>

A Kazmierczak: A Contention Free WDM Protocol For Ring Networks (*)
<URL: http://www.uis.edu/~mcc97/html/papers/kazmierczak/>

400Gbit/s-1Tbit/s Ultra-High-Speed, High-Capacity Optical Transmission Experiments (*)
<URL: http://www.nttinfo.ntt.jp/RD/1995rev/telecom/tel13.html>


Yleisiä WDM:ään ja optisiin kuituihin liittyviä linkkejä

CIENA (*****)
<URL: http://www.ciena.com>

AT&T Home Page (***)
<URL: http://www.att.com/>

The Broadband Guide (***)
<URL: http://www.broadband-guide.com>

Suomalaisen tiedon valtatien tekninen kehitys (3/3) (**)
<URL: http://www.telmo.fi/tiveke/raportit/tekeh3.htm>

Lightwave Xtra (**)
<URL: http://www.light-wave.com/index.html>

Fiber Article (*)
<URL: http://www.usta.org/fiberopt.html>