Оптические средства. 2 Изучение технологии OTH. Изучение технологии oth
 Скачать 1.31 Mb.
|
|
Изучение технологии OTH Лабораторно-практическое занятие. Время изучения 2 часа Цель работы, порядок выполнения и содержание • Цель работы – изучение технологии оптической транспортной иерархии • Порядок выполнения: • - изучить основные положения международных стандартов по технологии оптической транспортной иерархии; • - ответит на контрольные вопросы с занесением в отчёт; • - решить задачу; • - составить отчёт. Список литературы для самостоятельного изучения • 1. Фокин В.Г. Когерентные оптические сети.[Текст]: учебное пособие, СибГУТИ, 2015. - 371 с. • 2. Фокин В.Г. Оптические системы передачи и транспортные сети. [Текст] : учеб. пособие.-М.: 2008. - 280 с. • 3. Фокин В.Г. Проектирование оптической мультисервисной транспортной сети. [Текст] : учеб. пособие, СибГУТИ, 2009, - 204с. • 4. Фокин В.Г. Оптические мультиплексоры OADM/ROADM и коммутаторы PXC в мультисервисной транспортной сети. [Текст] : учеб. пособие. СибГУТИ, 2011. 204 с. • 5. Фокин В.Г. Проектирование оптической мультисервисной транспортной сети. Учебное пособие. Новосибирск: СибГУТИ, 2019, - 241 с. Электронный ресурс. • 6. Фокин В.Г., Ибрагимов Р.З. Гибкие транспортные сети. Учебное пособие. Новосибирск: СибГУТИ, 2020, -219 с. Электронный ресурс. Содержание отчёта • 1. Название работы. Ф.И.О. исполнителя с подписью. Руководитель занятия. Дата выполнения. • 2. Цель работы. • 3. Содержание практического занятия (краткий обзор технологии). • 4. Краткие ответы на контрольные вопросы. • 5. Решение задачи и выводы по результатам выполнения работы. Введение • На магистральных оптических транспортных сетях большой протяженности и сетях мегаполисов России широко используются многоканальные телекоммуникационные системы WDM (Wavelength Division Multiplex, системы с разделением каналов по длине волны λ оптического излучения) с пропускной способностью оптических каналов равной 2,5 Гбит/с, 10 Гбит/с и/или 40 Гбит/с. Общая пропускная способность таких систем по одному стандартному оптическому волокну (ОВ) составляет от сотен гигабит в секунду (например, 40λ × 10 Гбит/с) до нескольких Терабит в секунду (например, 160λ × 40 Гбит/с). Функция кросс-переключения цифровых сигналов TDM (Time Division Multiplexing, мультиплексирование с временным разделением) цифровых потоков, меньших или равных пропускной способности оптических каналов систем WDM, реализуется преимущественно на основе технологии SDH (Synchronous Digital Hierarchy, синхронной цифровой иерархии). Формирование, консолидация и маршрутизация пакетного трафика для последующей его передачи поверх транспортного уровня производится на IP/MPLS/TP-MPLS (Internet Protocol / Multiprotocol Label Switching – Transport Profile, интернет протокол / многопротокольная коммутация по меткам и ее транспортный профиль) или на Ethernet сервисном уровне сети. Следует отметить также поэтапное внедрение на сетях WDM систем кросс-коммутации клиентских потоков с размещением их в полях полезной нагрузки виртуальных транспортных структур оптической транспортной иерархии OTN/OTH (Optical Transport Network – Optical Transport Hierarchy, оптическая транспортная сеть / оптическая транспортная иерархия) и собственно оптической кроссовой коммутации. Эти средства позволяют прозрачно передать любые клиентские потоки и увеличить эффективность использования пропускной способности оптических каналов. • По мере роста объемов передаваемого интернет-трафика, развития облачных технологий, скорости передачи по оптическим каналам систем WDM выросли от 10 Гбит/с до 40 Гбит/с и 100 Гбит/с, что привело к необходимости стандартизации интерфейсов Ethernet 40 GbitE и 100 GbitE (завершена в 2010 г.) и стимулировало разработку и стандартизацию новых средств масштабирования, передачи и кросс-коммутации пакетных и TDM потоков на транспортном уровне сети WDM. В настоящее время российские (компания «Т8») и зарубежные исследователи активно занимаются разработкой и внедрением методов формирования, передачи и приема по каналам систем с плотным мультиплексированием волн DWDM, Dense WDM (плотное с интервалом между каналами 0.8 нм, 0.4 нм) цифровых потоков 400 Гбит/с и 1 Тбит/с, которые станут преобладающими в ближайшее десятилетие на магистральных транспортных сетях. При этом основным реализуемым методом передачи сигналов в оптических каналах будет когерентный, который позволяет существенно (до 20 дБ) повысить энергетический потенциал системы и совместно с упреждающей коррекцией ошибок FEC (Forward Error Correction) и электронной компенсацией дисперсии увеличить протяженности оптических коммутируемых каналов до 2–4 тыс. км. • Таким образом, в ближайшее время (до 2030 г.) пропускные возможности уже существующих волоконных сетей могут достигнуть десятков Терабит в секунду (около 25 Тбит/с на волокно), появится принципиально новый класс оптических сетей с гибкой оптической и цифровой коммутацией, выделением / вводом оптических когерентных каналов, высокоэффективной модуляцией (4–8 бит/с/Гц), низкой чувствительностью к дисперсионным искажениям. Основные положения для оптических сетей • Современное представление оптической транспортной сети OTN основано на фундаментальных определениях сектора Телекоммуникаций Международного Союза Электросвязи (МСЭ-Т) – ITU-T, приводимых в рекомендациях G.805, G.806, G.872, G.709, G.798 и т. д. Эти определения отражены в модели OTN (рис.1, а), где обозначено: OCh, Optical Channel – оптический канал; OMS, Optical Multiplex Section – оптическая секция мультиплексирования; OTS, Optical Transmission Section – оптическая секция передачи. В модели OTN сосредоточены ряд функций (рис.1, б): оптическая транспортировка в секции OTS с ретрансляцией (R) – усилением сигналов и коррекцией искажений; оптическое мультиплексирование с разделением по длине волны (OMX) с поддержкой секции мультиплексирования; оптическая маршрутизация и кроссовая коммутация цифровых и оптических соединений (OCh, OTU, ODU, OPU); наблюдения и наблюдаемость сигналов пользователей сети OTN; управление и обслуживание. Ниже приведен обзор этих функций по уровням модели OTN. Модель оптической транспортной сети • Пользовательский уровень OTN предназначен для согласованного (адаптированного) ввода информации пользователей (сигналов), например, циклов SDH STM-N, ячеек АТМ, пакетов Ethernet, MPLS, IP, кадров GFP-F в оптическую сеть через адаптирующие структуры. Процедуры адаптации связаны с согласованием цифровых скоростей, синхронизацией, кодированием и т. д. • Сетевой уровень оптических каналов OCh предусматривает транспортировку цифровых сигналов пользователей в оптических каналах между точками доступа на уровне OCh. Информационные характеристики уровня OCh могут быть представлены в двух отдельных и индивидуальных логических сигналах: • сигналы уровня пользователя, адаптированные для передачи в определенных цифровых форматах, что в значительной мере является предметом этой главы; • сигналы оптических каналов в виде заголовков, действующих в трактах между точками доступа уровня сети OCh – оптического канала. • Эти сигналы объединены оптическим транспортным блоком OTU (Optical Transport Unit), который представляет собой цифровую циклическую структуру, имеющую фиксированную емкость в байтах заголовков, поля нагрузки пользователей транспортных услуг и поля коррекции ошибок. Этот блок бит за битом поступает на модулятор оптического передатчика, настроенного на волну λ i из диапазона волн 1530–1625 нм, т. е. создается сетевое соединение с передачей оптического канала. Модулированные оптические сигналы на различных волнах объединяются оптическим мультиплексором для передачи в волоконной линии на противоположную станцию (сетевое соединение OMS). В секциях передачи могут использоваться оптические усилители, которые поддерживают сетевое соединение OTS. • Каждое из сетевых соединений имеет свой маршрут, который прописывается отдельными блоками цифровых данных в заголовках OTU и цифровых блоках отдельного сервисного канала, выполняемого на отдельной волне λ OSC оптического сервисного канала OSC (Optical Supervisory Channel). • Заголовки позволяют решать ряд важных эксплуатационных задач оптической сети, детали которых рассматриваются ниже. К таким задачам могут относиться: маршрутизация и коммутация соединений на уровне оптических каналов OCh, как для отдельных волн λ i , так и цифровых блоков. • На приемной стороне многоволновые оптические сигналы разделяются оптическим демультиплексором на канальные сигналы λ i и детектируются в фотоприемниках для восстановления цифровых блоков OTU. • Для поддержки функционирования оптической сети ITU-T разработал стандарты на цифровую и оптическую передачу в оптических транспортных сетях OTN. Эти стандарты получили название оптической транспортной иерархии OTH. Она поддерживает все возможные аспекты оперирования и управления в OTN с различными архитектурами: точка-точка, кольцо и смешанными типами. В OTH определены интерфейсы оптической сети, которые поддерживают соединения OTN (рис. 2) с различными функциональными возможностями. Интерфейсы OTH • Оптические интерфейсы OTN/OTH предусматривают комплексное описание составляющих: • оптическую транспортную иерархию в виде цифровых и оптических структур; • функциональность заголовков для поддержки многоволновой оптической сети; • цикловые структуры (кадры передачи); • битовые скорости (их формирование и привязку к другим технологиям транспортных сетей); • формирование различных пользовательских сигналов; • защита пользовательских сигналов от ошибок передачи. • Также в двух видах определяются эти интерфейсы: пользовательские UNI, User-to-Network Interface; межузловые NNI, Network Node Interface. Обычно пользовательские интерфейсы имеют упрощенные функции. Интерфейсы могут иметь различную функциональную наполняемость, как показано на рис. 3 до 6 видов. Структуры интерфейсов подразделяются на два типа оптических транспортных модулей OTM (Optical Transport Module): • OTM-n.m – полнофункциональный интерфейс (предпочтителен для NNI); • OTM-0.m, OTM-nr.m, OTM-0.mvn – интерфейс c упрощенными функциями (предпочтителен для UNI), т. е. с одним каналом (0), упрощенный (r – редуцированный), многолинейный с функциональным делением (mvn). • Модуль OTM представляет собой объединение оптических волн от λ 1 до λ n , где n = 4, 8, 16, 32 и т. д. Обозначение «0» указывает на одну оптическую волну. В полнофункциональном интерфейсе к блоку волн n добавляется волна отдельного сервисного канала λ OSC. В интерфейсах с упрощенными функциями этого канала нет. Индекс m = 1, 2, 3, 4 указывает на цифровую иерархическую принадлежность оптических каналов в модуле (скорость передачи: 1 – 2 666 057.143 кбит/с; 2 – 10 709 225.316 кбит/с; 3 – 43 018 413.559 кбит/с; 4 – 111 809 973.568 кбит/с). Обозначение mvn для многолинейного интерфейса указывает на возможности этой разновидности интерфейса по передаче информационных потоков на одной оптической волне с несколькими форматами модуляции (например, DP-QPSK две поляризационные составляющие с квадратурной модуляцией каждой) или с разделением единого цифрового потока на несколько несущих оптических волн (например, на четыре волны, как предусмотрено стандартом G.709). Обозначение nr указывает на отсутствие оптического сервисного канала в модуле OTM. Интерфейсы OTH и уровни оптической сети OTN Модули OTM • Модули OTM образуются в уровневых структурах трех видов: • OTS, OMS, OCh с комплексными или функционально стандартизированными транспортными блоками (OTUk, OTUkV) и одним или большим числом блоков ODUk (k = 0, 1, 2, 3, 4 иерархический уровень цифрового блока); • OPSn, OChr с комплексными или функционально стандартизированными транспортными блоками (OTUk, OTUkV) и одним или большим числом блоков ODUk (k = 0, 1, 2, 3, 4 иерархический уровень цифрового блока); • OPSMnk без образования оптического канала, но с комплексными или функционально стандартизированными транспортными блоками (OTUk, OTUkV) и одним или большим числом блоков ODUk (k = 0, 1, 2, 3, 4 иерархический уровень цифрового блока). • Подсистема оптического канала OCh определена международными стандартами в виде уровня оптического канала в сети в порядке поддержки управления и контроля функциональности в трех составляющих: • оптический канал с полной поддержкой функций контроля и управления (OCh) или упрощенных функций (OChr), коммутации в сети между точками 3R регенерации; • комплексные и функционально стандартизированные транспортные цифровые блоки оптических каналов OTUk/OTUkV с предусмотренным контролем и комплектом сигналов для взаимодействия между 3R точками регенерации в транспортной сети OTN; • блоки данных оптических каналов (ODUk) предусматривают: тандемный мониторинг (ODUkT); мониторинг тракта из конца в конец (ODUkP); адаптации клиентских сигналов к блоку нагрузки оптического канала (OPUk); адаптации OTN ODUk сигнала к блоку нагрузки оптического канала (OPUk). • Цифровые блоки OPUk, ODUk оснащаются блоками заголовков высокого (HO, High Overhead) и низкого (LO, Lov Overhead) порядков. Цифровые блоки с заголовками низкого порядка мультиплексируются в блоки с заголовками высокого порядка. Также блоки OPUk, ODUk могут быть виртуально сцеплены для размещения необходимых клиентских сигналов. В оптической формируется модуль с n каналами (n = 1…32 и более), каждый из которых имеет свой цифровой блок заголовка (Следующий рис.). Порядок формирования оптических модулей OTMn.m Данные заголовков оптических каналов OCCo (Optical Channel Carrier – overhead), переносимых отдельным сервисным каналом OSC в блоке OOS (OTM Overhead Signal) на отдельной оптической частоте (рис.), где также размещаются блоки сообщений секций OTSn OH, OMSn OH и байты данных для проведения исследовательских экспериментов с модулями OTM Comms. Информационная нагрузка, т. е. OTUk оптического канала обозначается OCCp (Optical Channel Carrier – payload) и представляет собой группу оптических несущих OCG-n.m (Optical Carrier Group). Эта нагрузка объединяется в оптический блок OMU-n.m (Optical Multiplex Unit), сопровождаемый заголовком секции оптического мультиплексирования OMSn OH. Порядок формирования оптических модулей OTM 0.m • В упрощенной структуре OTM-0.m создается только один оптический канал для организации связи в однопролетной секции оптического кабеля на ограниченное расстояние (чаще всего это соединительная линия внутри линейного цеха или между рядом расположенными узлами) от нескольких десятков/сотен метров до нескольких километров. При этом в оптической части не предусмотрены средства активного мониторинга секций передачи, однако полностью используются возможности цифрового мониторинга через заголовки OTUk OH, ODUk OH, OPUk OH. Порядок формирования оптических модулей OTM nr.m упрощенного типа без сервисного канала Порядок формирования оптических модулей OTM 0.mvn упрощенного типа без сервисного канала Принципиально иное решение по формированию оптического блока OTM-0.mvn предусмотрено следующим вариантом (рис.), где один цифровой блок может переноситься n-1 оптическими каналами после его деления на параллельные цифровые потоки каналов оптических транспортных линий OTL (Optical channel Transport Lane). Под оптическими каналами можно понимать отдельные оптические несущие λ i и каналы, образуемые на одной несущей частоте при использовании различных форматов модуляции, например, с разделением по поляризации или кодированием фазовых состояний оптических импульсов, обозначаемые OTLCp (Optical Transport Lane Carrier payload). Такие каналы объединяются в группу OTLCG (Optical Transport Lane Carrier Group), которую обозначают многолинейной оптической физической секцией OPSMnk (Optical Physical Section Multilane) с n каналами k уровня иерархии OTH. Схема мультиплексирования OTH. Оптические форматы • Схема позволяет проследить гибкие возможности цифрового и оптического мультиплексирования от простейших одноканальных решений по передаче в волоконной линии до формирования многоканальных сигналов в варианте с сервисными каналами, оптической и электрической кроссовой коммутацией и мониторингом соединений на различных уровнях сети (оптических каналов, секций мультиплексирования и передачи). • Блоки оптического мультиплексирования представлены овальными структурами с обозначениями OTM-n.m, OCG- n.m, OCG-nr.m, OTLCG. В практическом исполнении эти блоки представляют собой планарные оптические схемы мультиплексоров/демультиплексоров в виде волноводных решеток или цепочек интерферомеров Маха-Зендера, имеющих от 2 до n оптических входов/выходов (разъемные соединители, например, FC, ST, LT и др.) по числу оптических каналов. Отдельно нужно обратить внимание на овальную структуру (OOS) мультиплексирования цифровых данных для оптического сервисного канала OSC. Для создания этой структуры используется отдельный контролер. Цифровые данные формируются для управления и мониторинга в секциях передачи, мультиплексирования и оптических каналах полномасштабных интерфейсов и представляют собой заголовки (OH) с определенным набором функций, рассматриваемом ниже. • Блоки оптического размещения представлены прямоугольными структурами с обозначениями OTSn, OMSn, OPSn и т. д. В этих блоках реализуются функции, например, электрооптических или оптоэлектронных преобразований (OOC, OOCr, OTLC), согласования с физическими средами передачи (OTM-nr.m, OTM-0.m, OTM-0.mvn) и т. д. Схема мультиплексирования OTH. Цифровые форматы (OTU4) • Мультиплексируемые оптические каналы различаются скоростью переносимых цифровых потоков, что в схеме мультиплексирования отражено индексами i, j, k (соответственно для OTU3, OTU2, OTU1). Для блока OTU4 применен индекс 1. Оптические транспортные блоки OTUk могут формироваться двумя путями (рис.): • прямым размещением с согласованием по скорости сигналов клиентов (пользователей оптической сети) в OPUk(L); • размещением через ступени мультиплексирования ODTUGk и указанием на тип нагрузки (PT), обозначением OPUk(H), возможности по виртуальной сцепке нагрузочных блоков OPUk-Xv и формированием фиксированных временных слотов ts (tributary slots – блоки с установкой временных позиций). Эти пути мультиплексирования определены как пути высокого (H) и низкого (L) порядков. • Нетрудно заметить, что реализация блоков с меткой «L» существенно проще т. к. не требует сложных операций согласования скоростей и синхронного мультиплексирования/демультиплексирования. Однако построение блоков с меткой «H» предполагает мультиплексирование разнородного, прежде всего пакетного потока, в однородную среду передачи одного оптического канала с возможностью доступа к отдельным цифровым потокам в промежуточных узлах без полного доступа к другим оптическим каналам. Это позволяет задействовать меньшее число спектральных каналов, т. е. меньшее число достаточно дорогих транспондерных блоков. Схема мультиплексирования OTH. Цифровые форматы (OTU3) Схема мультиплексирования OTH. Цифровые форматы (OTU2) Схема мультиплексирования OTH. Цифровые форматы (OTU1) Схема мультиплексирования OTH. Оптические и цифровые форматы (OTM-0.3v4 и OTM-0.4v4 ) • Отдельно представляет интерес рассмотрение структур мультиплексирования транспортных модулей OTM-0.3v4 и OTM-0.4v4 (рис.). • В этих структурах предусмотрено формирование четырех параллельных каналов с понижением скорости передачи ¼, т. е. поток OTU3 на скорости 43 Гбит/с будет представлен четырьмя потоками 10,75 Гбит/с, поток OTU4 на скорости 112 Гбит/с будет представлен четырьмя потоками 28 Гбит/с. В оптической части каждого канала (OTLC), как уже указывалось выше, возможны варианты модуляции четырех отдельных волн λ, производимых отдельными оптическими генераторами, или модуляция амплитудно-фазовых и поляризационных состояний оптических импульсов, производимых одним генератором. Практическая передача осуществляется в оптоэлектронных модулях CFP (CFP-4, CFP-2). Сравнительная оценка схем мультиплексирования |