СТАТЬИ

  

  Главная

       Справки 

     —тандарты  

  Сертификация 

     Отдохните

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Технические решения базовых элементов оптических

сетей нового поколения

 

Стимулы и направления развития

  оптических сетей нового поколения 

      

      В истории развития техники немного можно найти отраслей, развитие которых происходило таким стремительным образом как волоконно-оптическая связь в период наступления и начала третьего тысячелетия. В то время как прогресс в электрической связи, включая временное мультиплексирование TDM (Time Division Multiplexing) и электрическую маршрутизацию, более или менее следовал закону Мура, и согласно этому закону развивалась техника компьютеров, производительность которых увеличивалась вдвое, а цена уменьшалась вдвое за 18 месяцев, развитие оптико-волоконной техники превысила этот порог. Достаточно отметить, что скорость передачи на каждый затраченный доллар возростала в два раза за каждые 9 месяцев, а скорость передачи на каждой используемой длине волны удваивалась за период в 12 месяцев. Согласно статистике пропускная способность волоконно-оптических сетей в 2001 году удваивалась каждые 5 месяцев. В настоящее время передача 160 каналов по 10 Гбит/с каждый воспринимается почти как обычное дело. Появились экспериментальные системы способные передавать 80 Гбит/с по каждому каналу. С этой скоростью 160 каналов могут передать 12,8 Тбит за одну секунду, что в пересчете значительно превышает полосу пропускания всех телефонных сетей общего пользования существующих в мире. С экономической точки зрения также наблюдается неординарный прогресс. Стоимось предачи одного бита информации падает в два раза за каждые девять месяцев. А при передаче на длинные расстояния стоимость одного бита в наши дни снизилась более чем на четыре порядка по сравнению с 1996 годом. При этом цена основного элемента оптических сетей Ц оптического волокна (в пересчете на Мбит/с) падала ежегодно примерно на 60%.

Что же является стимулом для дальнейшего развития волоконно-оптических сетей?

На существующую инфраструктуру систем передачи информации глубокий отпечаток откладывает взрывной рост трафика Интернета / Интранета. Сегодня индустриальный мир находится на заре эры вездесущих широкополосных систем связи. Рост трафика главным образом обусловливается традиционными потребностями: передачей музыки, фотоизображений, видео, совместным использованием прикладных файлов и программ. Следующий резкий рост трафика следует ожидать при распространении новых, требующих весьма широких полос пропускания, сервисов, таких как радиовещание, телевидение, передача изображений и видео высокого и сверхвысокго разрешения и т.п. Такие услуги, требующие 20 Ц 300 Мбит/с на канал доступа, послужат причиной все большего распространения FTTH. Уже в наши дни в результате снижения сетевых затрат, FTTH становится альтернативой DSL и широкополосных услуг предоставляемых по кабельному модему. При этом оптимизированое для голоса, данных и видео FTTH предлагает скорости передачи данных 10/100 Ethernet, масштабируемый к Gigabit Ethernet или выше, используя стандарт DOCSIS для обеспечения безопасности. Согласно исследованиям проведенным Dittberner Associates ивестиции мирового сообщества в FTTX ( FTTH, FTTP, FTTC, ...) за десятилетний период 2004 Ц 2013 г.г. увеличатся с 3,7 млрд. долларов США в 2004 г. до 22,8 млрд. в 2013 г. Это шестикратное увеличение в основном обязано Азиатскому и Тихоокеанскому регионам (52,8% от ивестиций всего мировго рынка), в то время как развитые регионы Европа и Северная Америка будут в 2013г. инвестировать в FTTX порядка 4 млрд каждый (Рис.1).

                                                                         Рис.1.

Усредненные по данному периоду годовые ивестиции составят для Европы порядка 300 млн., Северной Америки порядка 300 млн., Азиатскому и Тихоокеанскому регионам около 1,1 млрд. Эти внушительные суммы ожидается будут вложены лишь только в одну из составляющих частей всего многообразия оптических сетей доступа.

Имеются и другие причины потенциального роста трафика, в частности по волоконно-оптическим сетям .

Широко известно какой стремительный рост в настоящее время испытывает сотовая связь. Беспроволочная технология (Wireless) - хорошее решение обеспечения мобильности и подвижности, также как и рентабельного, быстро реализуемого метода для соединения домов и мелких бизнесов. Wireless, однако, ограничено расстоянием и пропускной способностью. Также имеются сложности относительно достоверности и защиты данных в беспроволочных сетях. Применение оптических волокон на некоторых участках сотовых сетей решают эти проблемы. Например, при связи базовой станции сотовой сети на стандарте WIMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access) с оптической региональной сетью волокно является многообещающим решением. По мнению некоторых специалистов подобный гибрид может оказаться перспективным не только в техническом отношении, но и в экономическом. В настоящее время трудно предсказать насколько велико будет это дополнение беспроволочных сетей доступа волоконно-оптическими сетями, т.к. они пока еще находятся скорее в стадии конкуренции нежели интеграции. Тем не менее можно ожидать появления еще одного Уисточника У роста трафика по волоконно-оптическим сетям.

Таким образом стремительный рост трафика потребует неминуемого изменения транспортной инфраструктуры. Это изменение должно обеспечить значительное увеличение пропускной способности сетей, которые также должны обладать универсальностью, масштабируемостью и быть легко интегрируемыми. Этот широкий спектр требований в настоящее время достигается применением нескольких технологий. Традиционные сервис-провайдеры, предлагающие TDM, ATM и IP услуги, обычно используют четырехуровневые сети: IP, ATM, SONET / SDH и WDM. По ряду причин это решение является далеко не оптимальным. Более перспективной считается двухуровневая модель сети: IP over WDM (IP посредством WDM). Не останавливаясь подробно на мотивации и обосновании данного подхода, которые могут быть темой отдельного внимательного анализа, отметим, что ведущие специалисты и разработчики считают IP over WDM перспективной технологией следующего поколения оптических сетей. В частности это обусловлено следующим.

IP технология привлекательна такими свойствами, как масштабируемость, способность интегрировать другие сетевые технологии, надежность и отлаженность. Сам факт существования Internet и его роль в современном сообществе говорит о целесообразности применения IP технологии. Усилия разработчиков сетевых технологий в основном сконцентрированы на улучшении свойств стека протоколов TCP/IP, производители оборудования активно встраивают в свои продукты поддержку IP, операторы связи делают весомые инвестиции в создание IP-макистралей, предприятия используют IP для связи сетей своих подразделений через глобальные сети и для предоставления удаленного доступа своим сотрудникам. Следовательно, неминуемое господство IP трафика делает очевидным то, что в инженерной практике инфраструктуру сети следует оптимизировать для IP.

С другой стороны, WDM является наиболее обещающей технологией, предлагающей огромную пропускную способность сетей, требуемую для продолжающегося роста трафика. Технология WDM становится все более привлекательной при снижении стоимости систем WDM. Базирующаяся на WDM, технология развивается не только в опорных (магистральных) сетях, но также в региональных, городских сетях и в сетях доступа. К тому же WDM сети больше не являются только одноранговыми, а хорошо сочетаются с любым уровнем требований к гибкости сети. Обычная система для передачи сигналов управления и контроля WDM сети использует отдельный канал управления DCN (Data Communication Network). Эта система управления в соответствии с концепцией TMN (Telecommunication Management Network) осуществляется по централизованной схеме и, чтобы реализовать масштабируемость, используется иерархия управления. Объединяя IP и WDM можно использовать ресурсы WDM сети для эффективного направляения IP трафика и создать унифицированную плоскость управления, по-видимому, IP-централизованную через IP и WDM сети. В результате сетевая инфраструктура оказывается более эффективной с экономической точки зрения и при этом способной транспортировать гигантские объемы разнородного трафика. Она включает всего два уровня Ч транспортный (фотонный) и сервисный.

 

Полностью оптические маршрутизаторы

Для создания унифицированных транспортных сервисов и управления ими необходимо УзвеноФ, объединяющее эти два сетевых уровня. Таковым можно считать протокол MPlS (Multiprotocol Lambda Switching) также известный под названием GMPLS (Generalized Multiprotocol Label Switching), базирующийся на нашедшем широкое применение стандарте MPLS (Multi-protocol Label Switching). Технология MPLS может использоваться с любым сетевым протоколом: IP, ATM, PPP и т.д. Протокол MPLS упрощает процесс маршрутизации и увеличивает производительность. Маршрутизация MPLS используется для образования виртуальных путей LSP (Label Switched Path) в IP-сетях. MPLS-маршрутизатор, получивший название LSR (Label Switching Router), схематически работает следующим образом.

Пакет, пришедший с периферии MPLS-сети, принимается первым маршрутизатором. На основании IP-адреса назначения пакета маршрутизатор принимает решение о продвижении пакета, определяет значение метки, соответствующее классу эквивалентности продвижения пакетов, присоединяет метку к пакету и передает ее следующему маршрутизатору. Следующий LSR определяет очередной шаг, новое значение метки, присоединяет к пакету новую метку и отсылает его следующему маршрутизатору. При этом каждому пакету входной LSR назначает метку отдельно от заголовка третьего уровня, где содержится адресная информация и сведения о классе обслуживания. Поэтому не требуется обрабатывать каждый пакет на каждом промежуточном маршрутизаторе и заголовок третьего уровня пакета считывается только на входе и выходе домена. Следовательно, маршрутизаторы выполняют меньший объем работы, что и обусловливает повышение производительности сети.

Аналогично с переключением по метке в LSR оптический маршрутизатор OLSR переключает излучение разной длины волны со входного порта на выходной. При этом он использует длину волны в качесте метки для создания пути OLSP (Optical Label Switched Path). Для создания метки по длине волны имеются два подхода: одна длина волны используется на всей части пути OLSP с входного до выходного маршрутизатора или длина волны замещается от маршрутизатора к маршрутизатору вдоль пути. В MPLS-технологии метка присоединяется к каждому пакету на входном маршрутизаторе, которая затем изменяется на каждом последующем маршрутизаторе. В отличие от этого в GMPLS-технологии метка (длина волны) присоединяется к потоку битов на входном маршрутизаторе и каждый IP-пакет оказывается аккомодированным в OLSP. Главным отличием MPLS и GMPLS является то, что MPLS позволяет объединять метки, где два или более LSP комбинируются в промежуточном маршрутизаторе в один путь, когда эти два (или более) LSP следуют по тому же маршруту; GMPLS же не позволяет объединяться меткам.

Не останавливаясь на рассмотрении устройств различных типов оптических маршрутизаторов, обратимся к так называемому полностью оптическому маршрутизатору, который ожидается станет доминантным решением в будущих оптических сетях. В его констукции можно выделить три основных части: система ввода/вывода, оптическая коммутирующая матрица и блок управления элементами сети. На рис.2 представлена схема одного из вариантов полностью оптического маршрутизатора.

 

                                                 

                                                                    Рис. 2

Система ввода/вывода обеспечивает доступ к оптической матрице через стандартные оптические интерфейсы. Имеется два типа стандартов оптических интерфейсов: одноволновые и многоволновые. Одноволновые применяются в локальных портах, которые соединяются с источником трафика и с обрабатывающим его оборудованием (ATM-коммутаторы, SONET/SDH оборудование, IP-маршрутизаторы). Многоволновые интерфейсы применяются в портах трактов, обеспечивающих проход через WDM-мультиплексоры и WDM-демультиплексоры. Система ввода/вывода также ответственна за преобразование длин волн. К ней также можно отнести и требующиеся в некоторых маршрутизаторах оптические усилители.

В блоке управления элементами сети реализована система волновой маршрутизации, управляющая коммутирующей матрицей, которая является полностью оптической и неблокирующей. Маршрутизатор коммутирует волны различной длины прозрачно и не заботится о фрейминге и регенерации сигнала (что делало бы сеть намного сложней). Критерием реализации алгоритма протокола системы волновой маршрутизации является то, что каждый маршрутизатор должен знать всю топологию сети. Кроме информации о состоянии соединений он должен иметь сведения об изменении ресурса, чтобы делать возможным перемаршрутизацию. В связи с этим маршрутизация базируется на протоколе о состоянии соединений OSPF (Open Shortest Path First) и протоколе IS-IS (Intermediate System to Intermediate System).

Система волновой маршрутизации осуществляет два типа сигнализации. Первый применяется для обмена информацией между маршрутизаторами, действующими маршрутизирующими протоколами. Второй тип используется между коммутирующей матрицей и системой волновой маршрутизации для управления процессом локальной коммутиции волн. Система волновой маршрутизации также вычисляет альтернативные пути для гибридной топологии.

Обратимся к преобразованию длин волн, которая играет существенную роль в оптических кросс-коммутаторах. При осутствии преобразования длин волн одна и та же длина волны ассигнована на всей длине оптического пути OLSP, проходящего через сеть. В данном случае возможны конфликты длин волн на некоторых участках OLSP, ограничивающие эффективность сети. При применении преобразования длин волн на разных участках OLSP между маршрутизаторами могут быть ассигнованы различные длины волн. Это исключает конфликты, повышает эффективность использования всех длин волн и, следовательно, эффективность всей сети.

Волновые конверторы бывают двух типов: оптико-электронные волновые конверторы и полностью оптические волновые конверторы. Применение оптико-электронных волновых конверторов в WDM кросс-коммутации, во избежание перекрестных помех между каналами, требует сложной компоновки, что ведет к удорожанию маршрутизаторов и делает их менее привлекательными. В связи с этим более привлекательными можно считать полностью оптические волновые конверторы.

В полностью оптических волновых конверторах преобразование осуществляется использованием эффекта перекрестной модуляции различных длин волн в активной среде или использованием их смешения в нелинейной среде.

Перекрестную модуляцию волн можно наблюдать в полупроводниковом усилителе в двух режимах: прекрестной модуляции усиления и прекрестной модуляции фазы. В первом режиме на вход полупроводникового усилителя подается оптический модулированный сигнал, длину волны которого необходимо конвертировать, и непрерывное оптическое излучение (излучение накачки) с длиной волны, в которую требуется преобразовать сигнал. Входной модулированный по интенсивности синал модулирует усиление полупроводникового усилителя благодаря эффекту насыщения. Излучение требуемой длины волны при этом модулируется в противофазе с входным сигналом. Установленный на выходе усилителя фильтр пропускает это излучение и задерживает излучение с длиной волны входного сигнала.

В режиме прекрестной модуляции фазы конверсия волн основывается на явлении зависимости показателя преломления активной среды от плотности проходящего через него излучения. Изменение показателя преломления среды в свою очередь приводит к изменению фазы излучения. Конвертор в режиме перекрестной модуляции фазы обычно представляет собой интерферометр, например, асимметричный интерферометр Маха-Цандера, в противоположные плечи которого установлены два полупроводниковых усилителя.

В конверторах, базирующихся на смешении волн, используется продукт нелинейного преобразования нескольких оптических волн различной длины в нелинейной оптической среде. Интесивность и длина волны, возникшего нового излучения, зависит от интенсивности и длин волн исходных излучений. Данные конверторы сохраняют информацию о фазе и амплитуде исходного излучения и также позволяют одновременно конвертировать несколько длин волн. Примером явления смешения волн может служить хорошо известное нежелательное явление в оптических волокнах называемое четырехволновым смешением. В этой же категории конверторов используются также явление генерации различных волн, которое явлется следствием нелинейного преобразования второго порядка в среде с двумя длинами волн: сигнала и накачки. Этот метод не добавляет избыточного шума в сигнал или в преобразованый сигнал, но требует дополнительных усилий по фазированию взаимодействующих излучений и применения волокон с очень низким затуханием.

Сопоставляя упомянутые полностью оптические конверторы длин волн, можно отметить, что требованиям настоящего времени более соответствуют конверторы, в которых применяется перекрестная модуляция. Однако, более перспективными видятся конверторы, обеспечивающие одновременно преобразование нескольких длин волн.

Оптические коммутаторы разного типа известны уже не один год. В настоящее время оптические коммутаторы каналов (волн различной длины) условно можно разделить на две группы:

коммутаторы, в которых после преобразования оптического сигнала, коммутация выполняется в электрической области, а затем он преобразуется снова в оптический (О-Э-О);

коммутация производится непосредственно в оптической области, они известны как полностью оптические коммутаторы.

Последние считаются более перспективными при применении в полностью оптических сетях, несмотря на то, что в настоящее время они уступают по некоторым параметрам коммутаторам с О-Э-О. Они базируются на различных технологиях и эффектах.

К ним следует отнести коммутаторы:

использующие оптические полупроводниковые усилители,

базирующиеся на применении интегральной оптики,

использующие термо-оптический эффект,

электрооптические,

электромеханические.

К полностью оптическим коммутаторам предъявляются высокие требования. Основные трудности при создании оптических коммутаторов вызывает выполнение требований :

времени переключения,

характеристик передачи (потери, перекрестные помехи, независимость от длины волны),

температурной стабильности,

маштабируемости,

компактности (при большом количестве портов).

Коммутаторы, базирующиеся на разных технологиях, имеют существенно разные предельные возможности по реализации ряда характеристик. Например, термооптические коммутаторы ограничены временем переключения в единицы мс, акустооптические и электромеханические - порядка мкс, коммутаторы на интегральной оптике Ц от мс до мкс, электрооптические Ц от мкс до нс (в зависимости от применяемого материала; для ниобата лития Ц нс), коммутаторы на оптических полупроводниковых усилителях Ц нс. Наряду с этим можно отметить, что кроме технологии на интегральной оптике и электромеханической технологий (MEMS Ц Micro-Electro-Mechanical Switches), все остальные пока не имеют достаточного потенциала для создания устройства с большим количеством коммутируемых оптических трактов (портов). В настоящее время техническая реализация MEMS-коммутаторов в части обеспечения большого количества портов более продвинута, чем коммутаторов на интегральной оптике. Эта технология может потенциально позволить создавать коммутирующие матрицы с 1000 портами. MEMS технология также обещает малые потери и компактность конструкции коммутирующей матрицы. Все же эта технология не обеспечивает в полной мере выполнение всех требований, но в настоящее время MEMS-коммутаторы представляются предпочтительными кандидатами для применения в полностью оптических маршрутизаторах.

 

Генератор оптических несущих

Одним из важнейших параметров, определяющим пропускную способность WDM-сети, является, как известно, число несущих длин волн. При использовании в качестве источников излучения традиционных лазерных диодов со стабилзированной длиной волны количество OLSP на один тракт ограничено примерно двумя сотнями из-за сильно удорожающего систему большого количества требуемых лазеров. Генерирование одновременно многих несущих длин волн одним источником чрезвычайно полезно в технологии оптических сетей. В данном случае, наряду со значительным снижением стоимости системы, существенно уменьшается взаимный дрейф частоты несущих. Такие генераторы реализованы на так называемых источниках суперконтинуума.

Генерацией излучения суперконтинуума является формирование широкого непрерывного спектра при распространении мощных импульсов света через нелинейную среду. Термин суперконтинуум не связан со специфическим явлением, а скорее с избытком нелинейных эффектов, которые в комбинации ведут к сверхуширению спектра импульса. Нелинейные эффекты, участвующие в спектральном уширении, сильно зависят от дисперсии среды и разумно выбранная дисперсия может существенно снизить требования к мощности импульса. Наиболее широкий спектр получается при введении затравочного импульса с длиной волны близкой к длине волны нулевой дисперсии нелинейной среды. Генерация излучения суперконтинуума дает широкий спектр с высокой яркостью. Такую комбинацию не дают другие технологии. Спектр излучения источника суперконтинуума делится на множество узких полос, образующих несущие оптических каналов. Для получения равных по мощности оптических каналов спектр источника суперконтинуума должен быть сглаженным. Получены спектры суперконтинуума с использованием различных лазеров, излучающих импульсы длительностью в фемто-, пико- и даже микросекунды.

Генерирование спектра суперконтинуума более эффективно на волокнах с сильной нелинейностью, в частности, на конусных волокнах и фотонных кристалических волокнах. Кристалические волокна состоят из кварцевой сердевины окруженной оболочкой с множеством воздушных микроканалов, идущих вдоль всего волокна. Структура обеспечивает зависимый от длины волны эффективный показатель преломления оболочки и позволяет пропускать одну моду в любом участке видимого и ближнего инфракрасного спектра. Варьируя расположение и размеры отверстий, дисперсия может быть подогнана в широком диапазоне и эффективная область распространяющейся моды может быть приспособлена для увеличения нелинейности в волокне. Комбинация уникальной дисперсии и увеличенной нелинейности может быть использована для эффективной генерации суперконтинуумного излучения.

На Рис.3 представлена схема одного из вариантов многоволнового генератора оптических несущих с использованием источника суперконтинуума.

                                                                         Рис. 3

Излучение от лазера (1), генерирующего мощные, короткие импульсы, вводится в волокно (2) с сильной нелинейностью. На выходе волокна установлен многополосный оптический фильтр. Результаты процессов на выходе каждого из элементов генератора схематически представлены на фрагментах рисунка. Фрагмент (a) иллюстрирует излучение лазера в виде последовательности короких импульсов определенной длины волны и длительности, следующих с определенной частотой, например, f0. На фрагменте (b) видно, что каждый импульс на выходе нелинейного волокна преобразован и представляет собой спектр суперконтинуума. Если полоса пропускания фильтра выбрана меньшей, чем частота следования импульсов f0, то на выходе фильтра излучение будет состоять из непрерывных оптических  несущих,  количество  которых  зависит  от  фильтра,  что  показано на фрагменте (с).

Взаимная стабильность полученных таким образом оптических несущих намного выше, чем в случае применения огромного количества диодных лазеров со стабилизированной длиной волны, т.к. стабильность фильтра на порядок величины выше, чем у лазерных диодов. Это позволяет уменьшить вероятность ошибки при передаче или (при необходимости) уменьшить частотный интервал между оптическими несущими, что дает возможность, в частности, увеличить чило несущих. Интервалы между несущими в настоящее время доведены до ~ 10 Ггц, что позволяет реализовать свыше 1000 каналов со скоростью передачи каждого 2,5 Гбит/с..

 

Приведенные выше примеры решения задач при создании нового поколения сетей связи Ц полностью оптических сетей далеко не исчерпывают тех проблем и трудностей, которые предстоит еще преодолеть. Несмотря на немалые успехи, еще многое необходимо осознать для нахождения приемлемых путей решения. Сложность поиска решений этой грандиозной задачи усугубляется тем, что в фотонике еще не имеется всех тех реальных технических решений, которые эквивалентны существующим в электронике и, на которых базируются современные системы связи. Усилия, прикладываемые для решения этих проблем, все же не являются гарантией успешного их завершения в ближайшем будущем. Не исключено, что будут найдены нетрадиционные УобходныеФ пути, а будущие сети связи существенно будут отличаться от тех, которые сейчас себе представляем. Однако с большой вероятностью можно ожидать, что оптические сети ближайших лет будут сетями УIP over WDMФ, т.е. широко будут использоваться IP и WDM технологии.

 

 

 

 

 

 

 

Copyright © 2007  Fiber Optic Communication Solutions. All rights reserved.