90-luvulla Internetin käyttö on kasvanut räjähdysmäisesti. Käytön kasvu ja palvelujen luonteen kehitys ovat tuoneet mukanaan kovia vaatimuksia verkon siirtokapasiteetille ja sitä mukaa alla piilevälle verkkotekniikalle. Vastaus ongelmaan löytyi puhelinverkoissa jo jonkun aikaa käytössä olleesta WDM-tekniikasta, joka mahdollistaa aivan uuden kaliiperin siirtokapasiteetit.

1. Johdanto

WDM (Wavelength Division Multiplexing, "aallonpituuskanavointi") on tekniikka, jossa käytetään valon fysikaalisia ominaisuuksia hyväksi. Valo kun ei vaadi sen enempää tilaa, vaikka se koostuisikin useista aallonpituuksista. Lähettävä pää yhdistää eri aallonpituuksilla lähetettävät kanavat yhdeksi signaaliksi ja lähettää datan tällaisessa muodossa yhtä kaapelia pitkin. Vastaanottava pää puolestaan suorittaa päinvastaisen toimenpiteen ja erittelee kanavat jälleen omiksi signaaleiksi. Tällä tavoin voidaan nykytekniikalla lähettää käytännön oloissa jopa 40 eri kanavaa yhtaikaa yhtä kaapelia pitkin, joista jokainen voi toimia 10 GB/s siirtonopeudella. Tällä tavalla yhden kaapelin siirtokapasiteetti saavuttaa 400 GB/s. Jotain DWDM:n hurjista mahdollisuuksista kertoo se, että laboratorio-oloissa toteutetuissa verkoissa koko USAn tämänhetkinen tietoliikenne kuluttaisi noin kymmenesosan yhden ainoan kaapelin siirtokapasiteetista [2,5].

2. Historiaa ja kehitystä

Tietoliikenteessä yhä merkittävämpää roolia näyttelevä WDM ei ole uusi keksintö, vaikka siitä sellaisena joskus kuuleekin puhuttavan. Uusi keksintö sen sijaan on DWMD (Dense WDM), joka on uusimmalla tekniikalla toteutettu kehittyneempi versio jo reilut kymmenen vuotta käytössä olleesta WDM:stä. Ensimmäinen maininta WDM:stä löytyy vuodelta 1958 IEEE:n julkaisusta [3]. Vaikka WDM-tekniikkaa ja sen tuomia mahdollisuuksia alettiin tutkia jo vajaat 10 vuotta myöhemmin, ilmestyivät ensimmäiset käytäntöön soveltuvat komponentit vasta parinkymmenen vuoden kuluttua, 70-luvun loppupuolella [3]. Vaikka WDM:ä ei ole tietokoneverkoissa varsinaisesti hyödynnetty ennen 90-luvun puoliväliä, on sitä käytetty puhelinlinjoissa jo 80-luvulta lähtien. Suuri osa isommista, ja osa pienemmistäkin, puhelinlinjoista hyödyntää tätä tekniikkaa. Tässä vaiheessa kyse kuitenkin oli kuitenkin vain suhteellisen tehottomasta WDM:n versiosta, joka mahdollistaa siirtokapasiteetin tuplauksen, joissakin tapauksissa nelin- tai kahdeksankertaistamisen [5]. Monikymmenkertaiseen parannukseen on päästy vasta 90-luvulla, kun WDM:ää on alettu edelleen kehittää ja se on toteutettu uusimmalla tekniikalla.

3. Lisää kaistaa

90-luvulla tapahtunut Internetin käytön räjähdysmäinen kasvu toi täysin uusia vaatimuksia siirtokapasiteetille. Aikaisemmin tarpeen jollain tavalla tyydyttäneet STM-16/OC-48 -verkot (2.5 GB/s) eivät enää pystyneet vastaamaan kasvaneeseen kysyntään. Tarjonnan lisäämiseen oli periaatteessa kolme vaihtoehtoa: lisää kaapelia, parempaa verkkolaitteistoa tai WDM. Ensimmäisen vaihtoehdon epäkohdat ovat ilmiselviä. Mitä tulee toiseen kohtaan, parempaa laitteistoa oli jo kehitteillä ja sitä alettiin ottaa käyttöön. Käyttöönottoon liittyy kuitenkin joitakin ongelmia. STM-64/OC-192 -laitteisto kykenee teoriassa lähettämään ja vastaanottamaan 10 GB/s siirtonopeudella. Vanhoja meren ja maan alla lojuvia valokaapeleja ei ole kuitenkaan suunniteltu tällaisia nopeuksia varten, eikä uutta laitteistoa voida täysin käyttää hyväkseen ennen mittavaa kaapeleiden uusintatyötä. Suurilla siirtonopeuksilla kaikkien häiriötekijöiden, kuten liitoskohtien ja dispersion vaikutukset moninkertaistuvat [5]. Lisäksi siirtonopeuden kasvattaminen voimistaa valon vaimenemista ja huonontaa vastaanottolaitteen herkkyyttä. Toisin sanoen signaalin läpimenoon vaadittava minimivoimakkuus kasvaa [5]. Lisäksi ongelmana oli vielä korvaamisesta aiheutuvat kustannukset. Nämä seikat pakottivat lopulta uusien vaihtoehtojen etsimisen, jolloin päädyttiin WDM:n kehittämiseen laboratorioasteelta käytäntöön soveltuvaksi. WDM:n kehityksen ja käyttöönoton myötä on tarve seuraavan laitteistosukupolven (OC-768, 40GB/s) kehittämiseen poistunut, eikä sitä ainakaan toistaiseksi aiota kehittää.

4. DWDM

Kolmas vaihtoehto, WDM, ja sen mahdollisuudet ovat olleet tiedossa jo pitkään, mutta niille ei ole ollut tarvetta ennen kuin nyt. Kirjainyhdistelmällä WDM viitataan nykyään varsinkin tietoliikennettä käsittelevissä teksteissä DWDM:n. Molemmissa perusajatus on sama, mutta sitä käytetään eri tavalla ja eri tehokkuudella hyväksi. Normaalissa valokaapelissa käytetään kolmea aallonpituuden aluetta signaalin välitykseen: 850nm, 1300nm ja 1550nm. Pitkillä matkoilla näistä käytetään kuitenkin vain kahta viimeksi mainittua, jotka molemmat käyttävät 200nm levyistä aluetta. WDM:n perusidea on siirtää dataa samassa kaapelissa kahdella eri taajuudella samanaikaisesti. Tällöin käytetään yhdessä fyysisessä optisessa kaapelissa sekä 1300nm, että 1550nm taajuutta eri kanavina välittämään tietoa toisistaan riippumatta kuin kahta erillistä kaapelia. Tällä tavoin yhden kaapelin siirtonopeus kaksinkertaistuu. Uuden laitteiston kustannuksiin nähden tämä lisäys olisi kuitenkin ollut liian pieni, eikä WDM-ideaa käytäntöön ruettukaan tietoverkoissa soveltamaan ennen DWDM-laitteiden kehittämistä. Tällä vuosikymmenellä on DWDM-laitteisto kehittynyt huimaa vauhtia ja se pystyy tarjoamaan vastauksen kaikkiin nykyisiin siirtokapasiteetin tarpeisiin.

DWDM on periaatteeltaan identtinen WDM:n kanssa, mutta toteutukseltaan melko lailla hienostuneempi. Oikeastaan DWDM on vain uusimmalla tekniikalla toteutettu WDM versio. DWDM eroaa kaikista muista tähänastisista verkkotekniikoista myös siinä, että se pystyy tarjoamaan aikaisemmin utopistisina pidettyjä siirtonopeuksia. Kun tähän asti runkoverkkojen siirtonopeuksista puhuttaessa on käytetty gigabittejä, alkaa yksikkö DWDM:n yleistymisen myötä olla terabitti. WDM-teoreetikot arvelevat, että siirtonopeuksissa päästään 25 TB/s asti [2]. Toisaalta on myös esitetty mielipiteitä, ettei maksiminopeutta voida vielä edes arvioida, koska lasereiden parantuessa kanavien määrää voidaan aina lisätä. Lisäksi verkon suorituskykyä yhtä fyysistä kanavaa (kaapelia) kohden voidaan parantaa kehittämällä aikaisemmin mainittua seuraavan sukupolven verkkoteknologiaa (OC-768).

4.1. Tekninen toteutus

WDM-teknologia perustuu yksinkertaisesti valon fyysisiin ominaisuuksiin. Valo ei vaadi sen enempää tilaa sisälti se sitten yhtä tai useampaa taajuutta. Tämän ansiosta yhtä kaapelia pitkin voidaan siirtää samanaikaisesti niin monta eri kanavaa eri aallonpituuksilla kuin vain tekniikka sallii. Käytettävissä on normaali valokaapeleissa käytettävä siirtoalue 200nm [5]. Eri aallonpituuksilla lähetettävien signaalien yhdistämisessä ja erittelyssä käytetään niinikään hyväksi valon tunnettuja ominaisuuksia - dispersiota, diffraktiota ja interferenssiä [5]. WDM-tekniikan perustavanlaatuinen ero perinteisiin yksitaajuisiin verkkoratkaisuihin on seuraava: DWDM-verkossa lähettävän pään limitin kokoaa tulevat signaalit yhdeksi monta aallonpituutta sisältäväksi yhteissignaaliksi, jonka se lähettää eteenpäin yhtä kaapelia pitkin. Varsinaisen siirron ajan jokainen limittimeen tuleva erillinen signaali on omalla aaltopituudellaan, omalla kanavallaan. Vastaanottava pää puolestaan suorittaa saman operaation päinvastaisessa järjestyksessä ja erittelee kanavat jälleen omiksi signaaleikseen. DWDM ei siis millään tavalla paranna kaapeleiden siirtonopeutta, vaan niiden siirtokapasiteettia mahdollistamalla useiden signaalien lähettämisen yhdessä kaapelissa samanaikaisesti. Nykyisillä laitteilla yhdessä kuidussa voidaan lähettää jopa 40 eri kanavaa yhtaikaisesti [1].

4.2. DWDM käytännössä

Kuten sanottu, DWDM ei paranna kaapelin siirtonopeutta, vaan siirtokapasiteettia. Tekniikalla voidaan jo nykyoloissa lähettää 40 kanavaa yhtä kaapelia pitkin, toisin sanoen 40-kertaistaa verkon kapasiteetti. DWDM:n erinomaisuus piilee nimenomaan tässä ja vielä enemmän siinä, että se pystyy käyttämään jo olemassa olevaa optista verkkoa hyväkseen ja vain varsinainen verkkolaitteisto pitää uusia. Välissä olevalta siirtomedialta ei siis vaadita sen kummempia ominaisuuksia kuin 'perinteisessäkään' datan siirrossa, eikä sen välitön uusiminen näin ollen ole välttämätöntä. Uuden sukupolven verkko vaatii uuden laitteiston lisäksi myös mittavia parannuksia fyysiseen verkkoon. Näistä syistä DWDM:n kustannusten suhde kapasiteetin lisäykseen lyö kirkkaasti muut tarjolla olevat vaihtoehdot.

DWDM:n erinomaisuus voidaan osoittaa muutamilla laskutoimituksilla. Yleisesti käytössä olevissa STM-16/OC-48 -verkoissa siirtonopeus yhtä kaapelia kohden on 2.5 GB/s. Mikäli laitteisto ja kaapelit päivitettäisiin STM-64/OC-192 -verkoksi, tulee siirtonopeudeksi 10 GB/s. Käyttämällä toista vaihtoehtoa, DWDM:ä, ei kaapeleita tarvitse uusia. DWDM:n 40-kanavaisella versiolla siirtokapasiteetiksi saadaan yksinkertaisella laskutoimituksella 100 GB/s (2.5 GB/s * 40), joka on kymmenen kertaa enemmän kuin täydellä verkkopäivityksellä saavutetaan.

Viimeisen parin vuoden aikana DWDM on alkanut tehdä tuloaan myös lähiverkkoihin ja sen käyttömahdollisuudet ovat muutenkin huomattavasti parantuneet tärkeiden laitteiden kehityksen myötä. Eräs tällaisista on ADM (Add Drop Multiplexer), joka mahdollistaa 1-4 kanavan poimimisen tai lisäämisen yhteiseen signaaliin puuttumatta muiden kanavien liikenteeseen millään tavoin. Laite lisää WDM-verkkoihin toivottua joustavuutta. Toinen tärkeä laite on EDFA (Erbium Doped Fibre Amplifier). EDFA vahvistaa optista signaalia lisäämällä kaapeliin fotoneja [1]. Tällä tavoin signaalia voidaan vahvistaa ilman kalliita signaalin uudistajia, regeneraattoreita, jotka muuttavat signaalin ensin sähköiseen muotoon ja sitten takaisin fotoneiksi [1]. Lisäparannusta saatiin myöhemmin kehittämällä vahvistimia edelleen, jolloin regeneraattoreiden tarve väheni huomattavasti ja verkon rakennuskustannukset pienenivät. Kahden viimeksi mainitun uudistuksen myötä pystyttiin rakentamaan verkko, joka ei tarvinnut yhtään signaalin uudistajaa 550km matkalla [1]. Laitteiston edelleen kehityttyä voidaan nykyään rakentaa jo yli 1000km pituisia verkkoja.

4.3. Kohti uusia nopeuksia

Pitkän aikaa WDM-systeemeissä käytettiin kokeellisissakin olosuhteissa vain 2-4 kanavaa, joiden aallonpituudet erosivat toisistaan kymmeniä, jopa satoja nanometrejä [5]. Jo aikainen tutkimus tähtäsi tämän välimatkan pienentämiseen. Välimatkan pienentäminen onnistui ensimmäisen kerran vuonna 1985. Kokeessa onnistuttiin limittämään 10 kanavaa 1.3nm välein, kukin 2 GB/s siirtonopeudella [5]. Muita vastaavia kokeita tehtiin ja saavutetut nopeudet kasvoivat pikkuhiljaa, kunnes 1 TB/s siirtonopeus viimein saavutettiin vuonna 1996. Sen saavuttivat lähes samaan aikaan kolme eri laboratoriota: Bell Laboratories, Fujitsu Laboratories sekä Nippon Telegraph and Telephone [5]. Kaikissa kokeissa saavutettiin 1 TB/s siirtonopeus, vaikka käytettyjen lasereiden määrä ja valittu kanavan nopeus vaihtelivatkin huomattavasti. Vielä samana vuonna Bell Laboratories saavutti 2.2 TB/s siirtonopeuden [5]. Kaikissa näissä kokeissa verkon pituus oli melko lyhyt, eikä niiden soveltaminen käytäntöön sellaisenaan ole mahdollista. Vuoden 1998 alussa 1 TB/s siirtonopeudella toimiva verkko onnistuttiin rakentamaan 400km pitkäksi. Tässä kokeessa käytettiin sataa 10 GB/s nopeudella toimivaa kanavaa. Kanavien määrä tuskin on vielä lähelläkään maksimia, sillä uusimpien puolijohdelasereiden spektrin leveys on alle 0.1nm.

Viime vuosien kehitys on ollut nopeaa ja laitteiston parannuttua myös käyttömahdollisuudet ovat parantuneet. DWDM-tekniikan käyttö on nyt laajenemassa myös langattomien verkkojen puolelle. Lucent on julkaissut prototyypin langattomasta DWDM-verkosta, jonka on tarkoitus olla saatavilla 2000 keväällä [4]. Ko. verkko käyttää kiinteisiin verkkoihin verrattuna vaatimattoman tuntuista neljää kanavaa, jotka toimivat 2.5 GB/s nopeudella [4]. Kehitteillä on myös 8-kanavainen versio.

5. Yhteenveto

80-luvulla alkanut DWDM:n kehitys on ollut huimaa ja on sitä kaikella todennäköisyydellä myös jatkossa. Tarvittava laitteisto paranee ja halpenee koko ajan ja laboratorioissa saavutetaan yhä nopeampia ja nopeampia yhteyksiä. Viime vuosina DWDM-laitteistoa on hankittu kaikki ennusteet reilusti ylittäen ja oletettavasti seuraavien vuosien aikana hankitaan ja asennetaan edelleen yhä enenevimmissä määrin. Ei ole mitään syytä asettaa kyseenalaiseksi käsitystä, jonka mukaan DWDM:n leviää suhteellisen nopeasti myös verkon pienempiin osiin, LANeja myöden. DWDM:n myötä rajusti kasvaneille ja raskaammaksi tulleille reaaliaikaisille palveluille tarjotaan aivan uusia mahdollisuuksia ja uusi ympäristö. Joidenkin vuosien kuluessa saatetaan verkossa tarjota tällä hetkellä jo pelkästään realiteettien takia utopistisilta kuulostavia mahdollisuuksia. Tällä alalla asioilla kuitenkin on tapana muuttua nopeasti, eikä ole epäilystäkään: DWDM on tullut jäädäkseen.

Lähdeluettelo

[1] Alexander, Stephen B., Dense wavelength division multiplexing, 26.7.1998
< http://www.tdap.com/tdap/broadband/broadb(Ciena).html>

[2] Dagres, Todd, Ryan, John P., The Order Of Magnitude, 1.4.1997
< http://www.teledotcom.com/0497/features/tdc0497fiber.html>

[3] Laude, Jean-Pierre, History and technology of wavelength division multiplexing, 14.1.1999
< http://www.spie.org/web/oer/october/oct97/multiplex.html>

[4] Lewotsky, Kristin, Lucent Launches Wireless WDM System Prototype, 16.7.1999
< http://www2.photonicsonline.com/content/news/article.asp?DocID={3C6F48EE-3AF9-11D3-9A4F-00A0C9C83AFB}>

[5] Sharshakov, Andrej, WDM: Uspehi i problemy, 4/99
< http://osp.alkar.net:8100/nets/1999/04/014.htm>