DWDM e CWDM no provedor: mux passivo e orçamento óptico

DWDM é a técnica que coloca vários canais de luz, cada um num comprimento de onda, dentro do mesmo par de fibra. Para o provedor regional, isso resolve um problema bem concreto: o enlace entre dois POPs lotou, a rota de fibra é uma só e passar cabo novo custa caro e demora. Com um mux passivo em cada ponta e módulos coloridos, o mesmo par que levava 10G passa a levar 8, 16 ou 40 canais.

Este guia compara CWDM e DWDM, explica o mux/demux passivo e os módulos coloridos e faz a conta que decide se o projeto fecha: o orçamento óptico. O exemplo é um enlace de 40 km sem amplificação, que é o caso mais comum entre cidades vizinhas. Os números de perda são valores típicos de mercado; no seu projeto, use os do datasheet e das medições da sua fibra.

Resposta rápida: DWDM ou CWDM?

• CWDM: até 18 canais espaçados de 20 nm (1271 a 1611 nm). Módulos e mux mais baratos, sem amplificação. Bom para poucos canais e distâncias curtas.
• DWDM: canais na grade de 100 GHz ou 50 GHz (cerca de 0,8 nm ou 0,4 nm), na banda C, perto de 1550 nm. Mais canais no mesmo par e compatível com amplificador EDFA.
• Mux passivo: não tem energia nem configuração. Cada porta aceita uma cor, e a perda de inserção entra no orçamento.
• Orçamento: Tx do módulo menos a soma das perdas (fibra, mux, conectores, emendas) precisa ficar acima da sensibilidade do Rx, com margem de pelo menos 3 dB.
• Amplificação: até algumas dezenas de quilômetros, DWDM passivo resolve. Acima disso, entra pré-amplificador ou EDFA e o projeto fica mais delicado.

Por que multiplexar em vez de lançar fibra

Num enlace comum, cada par de fibra carrega um sinal: um módulo de 1310 nm ou 1550 nm de cada lado. Quando a banda acaba, as opções são subir a velocidade do módulo (10G para 100G, com troca de equipamento), usar outro par livre no cabo ou multiplexar. A multiplexação por comprimento de onda (WDM) aproveita que a fibra carrega várias cores ao mesmo tempo sem uma atrapalhar a outra.

No provedor, o DWDM passivo costuma aparecer em três cenários: transporte entre POPs da própria rede, trânsito de vários clientes corporativos no mesmo anel e o transporte até o ponto de troca, assunto do guia para conectar o provedor ao IX.br. Em todos, a vantagem é a mesma: cada canal é um enlace independente, com sua própria porta no roteador ou switch, e um canal novo não mexe nos que já estão no ar.

Também dá para juntar vários canais numa interface lógica. Dois canais de 10G entre os mesmos roteadores viram um agregado de 20G com LACP, como no passo a passo de LACP no Juniper.

CWDM x DWDM: o que muda

A diferença está no espaçamento entre canais. O CWDM usa canais largos, de 20 nm, o que permite laser barato sem controle fino de temperatura: mesmo que o comprimento de onda escorregue um pouco, ele continua dentro da janela do canal. O DWDM aperta os canais em frações de nanômetro, e por isso o laser precisa ser estável. Em troca, cabe muito mais canal na mesma faixa.

Outro ponto pesa na escolha: os canais DWDM ficam todos na banda C, a faixa que o amplificador EDFA atende. Os canais CWDM se espalham por mais de 300 nm, e não existe um amplificador simples que cubra tudo. Por isso o CWDM é tecnologia de enlace curto e sem amplificação, enquanto o DWDM cresce de 40 km para centenas de quilômetros com os equipamentos certos.

A grade de canais DWDM e CWDM

A grade DWDM da ITU-T G.694.1 é definida em frequência, ancorada em 193,1 THz. Com espaçamento de 100 GHz, os canais ficam a 0,1 THz um do outro. Muitos fabricantes numeram os canais pela frequência: o C34 é 193,4 THz. A conversão para comprimento de onda é a velocidade da luz dividida pela frequência. Um mux DWDM de 8 canais, por exemplo, pode usar os canais C30 a C37:

Canal   Frequência    Comprimento de onda
C30     193,00 THz    1553,33 nm
C31     193,10 THz    1552,52 nm
C32     193,20 THz    1551,72 nm
C33     193,30 THz    1550,92 nm
C34     193,40 THz    1550,12 nm
C35     193,50 THz    1549,32 nm
C36     193,60 THz    1548,51 nm
C37     193,70 THz    1547,72 nm

A numeração muda entre fabricantes, então compre módulo e mux pela frequência ou pelo comprimento de onda, nunca só pelo nome do canal. Um módulo de 1550,12 nm ligado na porta de 1550,92 nm não acende o outro lado, porque o filtro do mux bloqueia a cor errada.

A grade CWDM e o pico de água

A grade CWDM da G.694.2 é bem mais simples:

CWDM (G.694.2): 18 canais, 20 nm entre eles
1271 nm  1291 nm  1311 nm  1331 nm  1351 nm  1371 nm
1391 nm  1411 nm  1431 nm  1451 nm  1471 nm  1491 nm
1511 nm  1531 nm  1551 nm  1571 nm  1591 nm  1611 nm

Os canais perto de 1383 nm caem no pico de absorção de água das fibras antigas (G.652 A e B). Em fibra G.652.D, chamada de low water peak, os 18 canais funcionam. Se a sua rota é antiga ou você não sabe o tipo de fibra, prefira os canais de 1471 a 1611 nm, que são os que a maioria dos mux de 8 canais usa.

Mux/demux passivo e módulos coloridos

O mux passivo é uma caixa com filtros ópticos, sem energia e sem gerência. Cada porta de cliente aceita uma cor, e a porta de linha junta todas para a fibra. No outro lado, o demux faz o inverso e entrega cada cor na sua porta. Na prática, quase todo modelo de provedor é mux e demux na mesma caixa.

Os módulos coloridos são SFP, SFP+ ou QSFP que transmitem num comprimento de onda específico da grade. Cada canal precisa de um par de módulos da mesma cor, um em cada ponta. Existem também os módulos DWDM sintonizáveis, que mudam de canal por configuração. As questões de codificação e leitura de DOM são as mesmas do guia de compatibilidade de SFP.

Duas fibras ou uma fibra só

O modelo clássico usa duas fibras: uma para cada sentido, com a mesma cor indo e voltando. Existem mux de fibra única, em que cada canal usa uma cor para ir e outra para voltar. Isso economiza fibra, mas cada canal ocupa duas cores da grade, e os módulos de cada ponta passam a ser diferentes. Anote na documentação do enlace qual cor sai de qual lado.

Porta de expansão e porta de 1310 nm

Alguns mux trazem uma porta de expansão, para encadear outro mux com mais canais sem desligar os que já estão no ar, e uma porta de 1310 nm, que deixa passar o enlace cinza que já existia na fibra. Essa porta ajuda na migração: o enlace antigo continua de pé enquanto os canais DWDM sobem.

Orçamento óptico do enlace DWDM de 40 km

O orçamento óptico responde a uma pergunta: a luz que sai de um módulo chega no outro com potência suficiente? A conta soma todas as perdas do caminho e compara o resultado com a faixa do módulo. Para o enlace de exemplo, com fibra G.652.D, mux de 8 canais em cada ponta e módulos 10G DWDM da classe de 80 km:

SFP+ 10G DWDM classe 80 km
Fibra        40 km x 0,25 dB/km                  10,0 dB
Mux + demux  2 x 3,0 dB                           6,0 dB
Conectores   4 x 0,5 dB                           2,0 dB
Emendas      10 x 0,1 dB                          1,0 dB
Perda total                                      19,0 dB
Tx mínimo do módulo                              0,0 dBm
Rx estimado  0,0 - 19,0                        -19,0 dBm
Sensibilidade do Rx                            -23,0 dBm
Margem                                            4,0 dB

Linha a linha: a fibra perde cerca de 0,25 dB por km em 1550 nm, valor conservador que já cobre envelhecimento. Cada mux ou demux tem perda de inserção de 2,5 a 3,5 dB nos modelos de 8 canais; modelos de 40 canais podem chegar perto do dobro. Os conectores são os cordões entre módulo, mux e DIO nas duas pontas, a 0,5 dB cada. As emendas de fusão ao longo do cabo somam pouco, mas entram na conta.

O Rx estimado é o Tx mínimo do módulo menos a perda total. A margem é a distância entre esse valor e a sensibilidade do receptor. Com 4 dB, o enlace fecha e sobra folga para um conector sujo ou uma emenda nova depois de um rompimento. Abaixo de 3 dB, qualquer manutenção pode derrubar o canal.

Por que o módulo de 40 km não serve num enlace de 40 km

A classe do módulo considera fibra pura, sem mux. Com os 6 dB dos dois mux, o mesmo trecho pede módulo de classe maior. Veja a conta com um módulo da classe de 40 km, com receptor PIN:

SFP+ 10G DWDM classe 40 km
Fibra        40 km x 0,25 dB/km                  10,0 dB
Mux + demux  2 x 3,0 dB                           6,0 dB
Conectores   4 x 0,5 dB                           2,0 dB
Emendas      10 x 0,1 dB                          1,0 dB
Perda total                                      19,0 dB
Tx mínimo do módulo                             -1,0 dBm
Rx estimado  -1,0 - 19,0                       -20,0 dBm
Sensibilidade do Rx                            -15,0 dBm
Margem                                           -5,0 dB

Margem negativa: o canal não sobe, ou sobe com erro. Esse é o engano mais comum em projeto DWDM passivo: escolher o módulo pela distância do mapa e esquecer a perda dos mux. Módulos de 80 km usam receptor APD, bem mais sensível, e por isso fecham a conta.

Enlace curto demais também dá problema

O outro extremo é o receptor saturado. Um módulo de 80 km num enlace de 5 km, com Tx positivo, pode entregar potência acima do limite de sobrecarga do APD. O datasheet traz esse valor como overload ou potência máxima de entrada. Se o Rx ficar acima dele, coloque um atenuador fixo no cordão.

Quando o DWDM passivo precisa de EDFA

O EDFA (amplificador a fibra dopada com érbio) amplifica todos os canais da banda C ao mesmo tempo, sem separar as cores. Ele entra quando a perda total passa do que os módulos aguentam. Pode ficar na transmissão (booster), na recepção (pré-amplificador) ou no meio da rota (amplificador de linha).

As faixas são aproximadas e dependem da fibra, dos mux e dos módulos. Com os números conservadores deste guia, o enlace passivo fecha com 3 dB de margem até perto de 45 km; com fibra medida em 0,22 dB/km, mux de 2,5 dB e módulo com Tx de +1 dBm e sensibilidade de -24 dBm, chega perto de 60 km.

Com amplificador, a potência deixa de ser o único limite. Cada EDFA soma ruído, medido pela OSNR, e a dispersão cromática da fibra G.652, na casa de 17 ps/(nm.km) em 1550 nm, alarga os pulsos de 10G ao longo da distância. Módulos 10G da classe de 80 km toleram a dispersão de cerca de 80 km de fibra comum; acima disso, entra compensação de dispersão ou módulo coerente, que corrige a dispersão no processamento digital.

Para a maioria dos provedores regionais, a regra prática é simples: enlace de algumas dezenas de quilômetros, DWDM passivo com módulo certo resolve; acima disso, chame quem projeta transmissão e peça a conta de OSNR e dispersão junto com a de potência.

Medir o canal DWDM depois de instalado

O orçamento no papel é estimativa. Depois de ligar, leia o Rx real de cada canal pelo DOM do módulo, nas duas pontas, e compare com a conta. Os comandos são os mesmos de qualquer módulo óptico:

display interface XGigabitEthernet0/0/1 transceiver verbose

show interfaces diagnostics optics xe-0/0/0

/interface ethernet monitor sfp-sfpplus1 once

Anote o Rx de cada canal no dia da ativação. Quando um canal cai de potência e os outros não, o problema é daquele par de módulos ou daquela porta do mux. Quando todos caem juntos, o problema está na fibra de linha, e a ferramenta é o OTDR. O guia de como ler o traço do OTDR ajuda a ler o traço. Lembre que o filtro do mux bloqueia o pulso do OTDR fora da cor da porta: meça a fibra de linha desconectada dos mux, ou use um mux com porta de monitoração própria para isso.

Erros comuns em DWDM e CWDM

• Módulo na porta errada do mux: o link não sobe e o Rx fica sem leitura. Confira a cor do módulo contra a etiqueta da porta.
• Par de módulos de cores diferentes: num mux de duas fibras, os dois lados do canal usam a mesma cor; num mux de fibra única, cores diferentes e na ordem certa.
• Margem negativa: módulo escolhido pela distância, sem somar a perda dos mux.
• Rx alto demais: receptor APD saturado em enlace curto. Use atenuador.
• Canal CWDM perto de 1383 nm com erro: fibra antiga com pico de água. Use canais acima de 1471 nm.
• Conector sujo na porta de linha: derruba todos os canais de uma vez. Limpe e inspecione antes de culpar a fibra.
• Mistura de grade: mux de 100 GHz com módulos pensados para 50 GHz, ou numeração de canal de fabricantes diferentes. Compre pelo comprimento de onda.

Perguntas frequentes

DWDM passivo precisa de configuração?

O mux não tem configuração nenhuma: é só filtro óptico. A configuração fica nas portas do roteador ou switch, como em qualquer enlace. Módulos sintonizáveis são a exceção, porque o canal é escolhido por software.

Posso misturar 1G e 10G no mesmo mux DWDM?

Pode. O mux não enxerga taxa, só cor. Cada canal é independente, então um canal pode ter 1G e o vizinho 10G, desde que cada orçamento feche com os módulos usados.

Quantos canais cabem num par de fibra?

No CWDM, até 18. No DWDM passivo de provedor, os mux de 8, 16 e 40 canais são os mais comuns. Com grade de 50 GHz e equipamento próprio, passa de 80 canais na banda C.

CWDM com EDFA funciona?

Na prática, não. O EDFA cobre a banda C, e só os canais CWDM de 1531 e 1551 nm ficam dentro dela ou na borda. Se o enlace precisa de amplificação, o caminho é DWDM.

Qual margem deixar no orçamento óptico?

Pelo menos 3 dB acima da sensibilidade do receptor. Em rota aérea, sujeita a rompimento e emenda nova, vale buscar mais folga.

Conclusão

DWDM passivo é a forma mais barata de multiplicar a capacidade de um par de fibra entre POPs sem mexer na rota. O projeto cabe numa planilha: escolha a grade, some mux, fibra, conectores e emendas, e escolha o módulo pela perda total, não pela distância. O CWDM serve quando poucos canais bastam e o enlace é curto; acima disso, o DWDM ganha em número de canais e abre a porta para amplificação.

Antes de comprar, confira três coisas: o tipo de fibra da rota, a perda de inserção real dos mux e a sensibilidade e o overload dos módulos. Depois de ligar, registre o Rx de cada canal para ter com o que comparar na próxima manutenção.

Leitura recomendada: Sistemas DWDM de baixo custo, artigo da wiki do Brasil Peering Forum (CC BY-NC 4.0).