В. Г. Фокин Когерентные оптические сети
 Скачать 13.92 Mb.
|
|
+ -модули применяются для двунаправленной передачи данных по одному оптическому волокну. В таких модулях использу- ется оптическая сборка типа BOSA, которая сочетает в себе приемник и пере- датчик [97]. Она позволяет осуществлять передачу и прием данных через один оптический коннектор. SFP+ -трансиверы поддерживают работу следующих протоколов: 10 GbE/10FC/STM-64. Для мониторинга в режиме реального времени (on-line мониторинга) используется функция DDM. Особенности: скорость передачи данных 11,13 Гбит/с; дальность переда- чи до 80 км; расширенная функция DDM в соответствии с SFF-8472. XFP-трансиверы – это компактные оптические трансиверы, соответствую- щие промышленному стандарту модулей XFP (10Gigabit Small Form-factor Pluggable – 10 гигабитный компактный сменный форм-фактор). XFP-модули обеспечивают передачу данных в оптических линиях связи на скорости 10 Гбит/с. XFP-модули могут работать на стандартных длинах волн 850/1310/1550 нм, а также в сетях с системами спектрального уплотнения WDM, CWDM и DWDM. Двухволоконные XFP–модули используются для двунаправленной переда- чи данных по двум одномодовым или многомодовым оптическим волокнам. В таких модулях устанавливаются оптические сборки типа TOSA-передатчик и ROSA-приемник. Пример конструкции модуля XFP приведен на рис. 7.8. Рис. 7.8. Модуль MlaxLink оптический двухволоконный XFP: на 10 км, волна 1310 нм, скорость 10 Гбит/с для марки ML-10XT 260 Одноволоконные WDM XFP-модули применяются для двунаправленной передачи данных по одному оптическому волокну. В таких модулях использу- ется оптическая сборка типа BOSA, которая сочетает в себе приемник и пере- датчик. Она позволяет осуществлять передачу и прием данных через один оптический коннектор. XFP-трансиверы поддерживают работу следующих протоколов: 10 GbE/ 10 FC/STM-64. Для мониторинга в режиме реального времени (on-line мониторинга) используется функция DDM. Особенности: скорость передачи данных: от 9,95 Гбит/с до 11,13 Гбит/с; дальность передачи: до 80 км; расширенная функция DDM в соответствии с SFF-8472. Трансиверы X2 – оптические трансиверы, предназначенные для формиро- вания сигналов в оптоволоконных линиях связи на скорости 10 Гбит/с. Модули X2 выпускаются для работы по двум одномодовым или многомодовым оптическими волокнам. Трансиверы X2 могут работать на стандартных длинах волн 850/1310/1550 нм, а также в сетях с системами спектрального уплотнения WDM, CWDM и DWDM. Двухволоконные X2-модули используются для двунаправленной передачи данных по двум одномодовым или многомодовым оптическим волокнам. В та- ких модулях устанавливаются оптические сборки типа TOSA-передатчик и ROSA-приемник. Одноволоконные WDM X2-модули применяются для двунаправленной пе- редачи данных по одному оптическому волокну. В таких модулях используется оптическая сборка типа BOSA, которая сочетает в себе приемник и передатчик. Она позволяет осуществлять передачу и прием данных через один оптический коннектор. X2-трансиверы поддерживают работу следующих протоколов: 10 GBE/ 10 FC/STM-64. Для мониторинга в режиме реального времени (on-line мониторинга) используется функция DDM. Особенности: скорость передачи данных: 10,31 Гбит/с; дальность пере- дачи: до 80 км; функция DDM в соответствии с SFF-8472. QSFP+ -модули – компактные оптические трансиверы, соответствующие новому промышленному стандарту QSFP+ (Quad Small Form-Factor Pluggable Plus). QSFP+ -модули используются для дуплексной передачи данных по двум одномодовым или многомодовым оптическим волокнам на скорости 40 Гбит/с. Модули выступают в качестве оптического интерфейса для активного телеком- муникационного оборудования (коммутаторов, маршрутизаторов и др.). 261 В модулях QSFP+ используются передатчики, работающие на волнах дли- ной 850/1300 нм с различной оптической мощностью. В таких модулях уста- навливаются оптические сборки типа TOSA-передатчик и ROSA-приемник. QSFP+ -трансиверы поддерживают работу всех используемых протоколов: STM-256/SDH/ – до 40 Гбит/с; 40 GbE/FC – на скорости до 41,25 Гбит/с. Для мониторинга в режиме реального времени (on-line мониторинга) используется функция DDM. Особенности: скорость передачи данных: до 41.25 Гбит/с; дальность пе- редачи до 10 км; MDIO (Management Data Input/Output) интерфейс с интегри- рованной функцией цифровой диагностики DDM. CFP-модули – оптические трансиверы, соответствующие новому промыш- ленному стандарту CFP (C-Form-Factor Pluggable). CFP-модули обеспечивают передачу данных в оптических многомодовых и одномодовых линиях связи на скорости свыше 40 Гбит/с и 100 Гбит/с. CFP модули реализуются в трех разно- видностях форм-факторов: CFP, CFP2 и CFP4 (рис. 7.9), которые отличаются габаритами внешне и внутренним исполнением схем передатчиков и приемни- ков. Рис. 7.9. Варианты исполнения модулей CFP Модули CFP в электрической части имеют 12 × 10 Гбит/с пар передатчи- ков Tx и приемников Rx. Модули CFP2 в электрической части имеют 8 × 25 Гбит/с пар передатчиков Tx и приемников Rx. Модули CFP4 в электри- ческой части имеют 4 × 25 Гбит/с пар передатчиков Tx и приемников Rx. Также модули CFP2 могут реконфигурироваться под нагрузку 10 × 10 Гбит/с пар Tx, Rx. В модули интегрирована система MDIO. Пример внутренней структуры модулей CFP2/4 представлен на рис. 7.10 (clock and data recovery – CDR). 262 Рис. 7.10. Структура модулей CFP2/4 В модулях CFP используются группы оптических передатчиков и прием- ников, настроенные на 4 отдельные оптические волны, например, 1295,1 нм; 1300,1 нм; 1304,6 нм; 1309,1 нм (рис. 7.11). В передатчиках может реализовы- ваться прямая и внешняя модуляция оптического излучения в формате сигна- лов NRZ. В приемниках применяется прямое детектирование оптического излу- чения отдельных волн. Такое решение характерно для стандартных интерфей- сов Ethernet для коротких линий (до 10 км) 100GE-LR4. Рис. 7.11. Оптические волны в интерфейсе 100GE-LR4 Практическое исполнение четырех волновых каналов представлено в ROSA (рис. 7.12) и TOSA (рис. 7.13). В структуре многоканальных оптических передатчиков/приемников TOSA и ROSA могут использоваться оптические мультиплексоры не только на основе тонкопленочных оптических фильтров, но и волноводных решеток AWG на основе PLC технологии (рис. 7.14). Волновод- ные решетки обеспечивают изоляцию каналов не менее 20 дБ при интервале между каналами 100 ГГц или 0,8 нм и более. 263 Рис. 7.12. Структура приемника ROSA для 100 Гбит/с интерфейса Рис. 7.13. Структура CFP4 с передатчиком TOSA и приемником ROSA 264 Рис. 7.14. Структура 4-х канального ROSA с AWG Еще одной принципиальной особенностью модулей CFP является возмож- ность реализации сложного кодирования/декодирования на одной волне, например, DPSK, QPSK, DP-QPSK, 16QAM в составе модуля и применения ко- герентного приема на скоростях 40 и 100 Гбит/с. Такие решения пригодны как для коротких соединительных линий, так и для построения городских маги- стралей транспортных сетей Ethernet. 7.2. Структура и характеристики транспондеров Транспондеры когерентных оптических сетей имеют существенно более сложное построение в аппаратной электронной и оптической частях и в алго- ритмическом наполнении в сравнении с модулями SFP, XFP и CFP. Достаточно рассмотреть составляющие общей структуры транспондера (рис. 7.15), чтобы убедиться в возможностях модуля преобразования DWDM (О-Э-О), формиро- вания кадров оптической иерархии и размещения нагрузки пользователей (кли- ентов транспортной сети). При этом в транспондере обычно задействован один из N клиентских интерфейсов и один из интерфейсов DWDM с подходящим форматом модуля- ции на передаче и детектирования на приеме. Пример структурного исполнения такого транспондера представлен в [98] и на рис. 7.16. Кроме того, упрощенная структура транспондера с физическими компо- нентами была представлена на рис. 5.21, пример исполнения когерентного транспондера Cisco представлен в разделе 4.6.3. В табл. 7.1–7.3 представлены характеристики когерентных транспондеров Cisco, которые пригодны для объ- яснения возможностей и применения в расчетах оптических сетей. 265 Рис. 7.15. Общая структура компонентов транспондера для когерентной оптической сети Клиентские сигналы на скорости 100 Гбит/с формируются на физическом уровне коммутатора сети Ethernet и доставляются до транспондера транспорт- ной сети через интерфейсы CFP. И аналогично через CFP к коммутатору Ether- net из транспортной сети. В рассматриваемом примере электронные компонен- ты FPGA (см. раздел 2.8 и Прил. 1) поддерживают процедуры формирования кадров OPUk/ODUk/OTUk оптической транспортной иерархии (Client FPGA, Line Rx FPGA, Line Tx FPGA), в том числе и коррекцию ошибок FEC. Для свя- зи между отдельными блоками (схемами) используются параллельные оптиче- ские интерфейсы POD (parallel optical (interface) device). Достаточно подробно функции передатчика (PM-QPSK transmitter) и функции схем приемника (Rx optics, Digitizers, MODEM) уже рассмотрены в главах 4, 5 и усилители EDFA в гл. 6. 266 Рис. 7.16. Структура транспондера для передачи клиентского сигнала на скорости 100 Гбит/с [98] Коротко о структуре необходимо отметить следующее: ─ в передающей части два параллельных потока на скоростях около 63 Гбит/с, входящие через схемы мультиплексирования MUX FPGA и SERDES, преобразуются в четыре потока кодовых групп QPSK и поступают параллель- ные оптические модуляторы, через которые проходят импульсы оптического излучения, сформированные от источника непрерывного излучения TLS вспо- могательным модулятором; ─ импульсы оптического излучения делятся по мощности на два ортого- нальных канала, в каждом из которых производится модуляция QPSK; ─ в приемной части оптические сигналы после усиления смешиваются с оптическим сигналом гетеродина LO и после разделения в оптической гибрид- ной схеме попадают на фотодетекторы; ─ аналоговые электрические сигналы после фотодетекторов преобразу- ются в цифровые схемами АЦП (ADC) и далее устраняются дисперсионные искажения, корректируются фазовые сдвиги и т. д.; ─ в схеме модема принимается решение о восстанавливаемых четырех потоках цифровых последовательностей (двоичные 0, 1); ─ в клиентском интерфейсе восстанавливается кадр OTU4 с коррекцией ошибок по одному из алгоритмов Рида–Соломона (GFEC, UFEC, HG-FEC). Три разновидности кодов FEC для систем передачи с DWDM определены международными стандартами ITU-T G.709, G.975, G.975.1. Они имеют различ- ную емкость в кадре OTUk для коррекции ошибок (от 7 % до 25 %), что отражает их исправляющие возможности, допустимую величину OSNR и требуемый скоростной режим передачи (примеры в табл. 7.3). 267 Табл. 7.1. Пример характеристик интерфейсов когерентного транспондера Интерфейс клиента Способ раз- мещения нагрузки Характеристики интерфейса оптического канала Формат данных Скорость, Гбит/с Формат передачи Скорость при 7 % GFEC или HG-FEC OH, Гбит/с Скорость при 20 % UFEC OH, Гбит/с 100GE LAN-PHY 101,125 Побитовое согласно G.709v3 OTU4 111,809 124,964 OTU4 111,809 Стандартное по G.709 Табл. 7.2. Пример спецификации DWDM для когерентных транспондеров № Параметры Числовые характеристики 1 Скорость 27,952 Гбод ± 20 × 10 -6 (OTU4 GFEC, HG-FEC 7 % OH) 31,241 Гбод ± 20 × 10 -6 (OTU4 UFEC 20 % OH) 2 Автоматическое отключение и включение лазера ITU-T G.664 3 Номиналы волн Перестройка в диапазоне 1528,77–1566,72 нм (полоса С сетка 50 ГГц) 4 Тип коннектора (Tx/Rx) LC, дуплекс Оптический передатчик 5 Тип Модуляционный формат CP-DQPSK 6 Выходные уровни мощности -2… +0,5 дБм (в сетях метро) -1… +1,5 дБм (в других приложениях) 7 Возвратные потери на отражение 27 дБ 8 Класс лазера 1 Оптический приемник 9 Допустимая хроматическая дисперсия ±70,000 пс/нм 10 Перегрузка 0 дБм 11 Коэффициент отражения приемника 30 дБ 12 Принимаемая оптическая полоса частот 1528,77–1566,72 нм (полоса С сетка 50 ГГц) Универсальным к применению в 100 Гбит/с системах по рекомендации G.975.1 принято считать код HG-FEC (High-Gain FEC). Особо важно это для оптических сетей с широким использованием мультиплексоров ROADM с полосно-ограниченными оптическими каналами. 268 Табл. 7.3. Примеры детальных характеристик когерентного приемника Допусти- мая хрома- тическая дисперсия Тип FEC и задержка кодирова- ния Ошибки перед декоде- ром FEC Ошибки после декодера FEC Уровень мощ- ности на при- еме (чувстви- тельность) Груп- по-вое время задерж- ки OSNR При полосе спектра 0,5 нм Широкого диапазона применения транспондера 0 пс/нм 0 пс/нм ±70000 пс/нм UFEC 20 % OH 39 мкс <1 × 10 -2 <10 -15 0…−14 дБм при −20 дБм штраф OSNR 0,5 дБ – 180 пс 180 пс 7,5 дБ 8,0 дБ 9,0 дБ 0 пс/нм 0 пс/нм ±70000 пс/нм HG-FEC 7 % OH 20 мкс <4,0×10 -3 <10 -15 0…−14 дБм при −20 дБм штраф OSNR 0,5 дБ – 180 пс 180 пс 8,0 дБ 8,5 дБ 9,5 дБ 0 пс/нм 0 пс/нм ±70000 пс/нм GFEC 7% OH 4мкс <1 × 10 -3 <10 -15 0…−14 дБм при −20 дБм штраф OSNR 0,5 дБ – 180 пс 180 пс 9,5 дБ 10 дБ 11 дБ Применение в метропольных (городских) оптических сетях 0 пс/нм ±5000 пс/нм HG-FEC 7% OH 20мкс <4,0×10 -3 <10 -15 0…−14 дБм при −20 дБм штраф OSNR 0,5 дБ – 30 пс 11,0 дБ 11,5 дБ Корректирующее кодирование Ultra FEC реализуется сложным решением с использованием ортогонально конкатенированного BCH (Bouse Chaudhuri Hocquenghem) кодека EFEC (Enhanced FEC). Оно позволяет иметь наименьшее OSNR, но за счет увеличения емкости исправляющего поля, повышения скоро- сти передачи в ортогональных каналах с 28 Гбод до 31,241 Гбод и большей за- держки при обработке сигнала. Код рекомендован в G.975.1 к применению в протяженных подводных магистралях с DWDM. Пример характеристик транспондерного модуля Cisco ONS MSTP 15454 на скорость 100 Гбит/с Модуляция: Coherent Polarized Differential Quadrature Phase-Shift Keying (CP-DQPSK): перенастраиваемый лазер на 96 каналов 50 ГГц C-band; символьная скорость Baud rate: 28–32 Гбод. Программно-настраиваемые алгоритмы FEC, для выбора оптимального соот- ношения Полоса/Дальность: 7 % OH на базе Standard G.975 ReedSolomon FEC; 20 % OH на базе Standard G.975.1 I.7 EFEC (1xE-2 Pre-FEC BER); 7 % OH используя 3rd Generation EFEC (4.6xE-3 Pre-FEC BER). Устойчивость к хроматической дисперсии – до 70000 пс/нм, возможностью программной перенастройки до 40000 пс/нм. Устойчивость к PMD – до 30 пс (100 пс DGD). В соединении B2B OSNR – 14,5 дБ. Чувствительность приемника: +0 дБм – − 18 дБм. 269 7.3. Структура и характеристики мукспондеров Принципиально мукспондеры отличаются от транспондеров только в кли- ентской и цифровой (мультиплексной) частях, где обеспечивается ввод/вывод цифровых потоков нескольких клиентов с одинаковыми или различными ско- ростями и протоколами (рис. 7.17, 7.18). При этом клиентские порты (интер- фейсы) представляют собой модульные решения SFP, SFP+, XFP, CFP и другие в различном сочетании. Примеры построения интерфейсной панели оборудова- ния стандартного мукспондера представлены на рис. 7.19, 7.20, где представле- ны модули CFP, XFP и SFP+, линейный и другие интерфейсы. Рис. 7.17. Структурная схема мультиплексирующего транспондера (мукспондера) когерентного типа Рис. 7.18. Возможности мультиплексирующего транспондера (мукспондера) 270 Рис. 7.19. Интерфейсная панель когерентного мукспондера MPX9110 1 Пример вариантов схем мультиплексирования когерентных мукспондеров: 10 × 10 Гбит/с; 1 × 40 Гбит/с + 6 × 10 Гбит/с; 2 × 40 Гбит/с + 2 × 10 Гбит/с. Пример типов клиентского оборудования когерентных мукспондеров: 10 GbE, 40 GbE, 100 GbE, STM-64, OTU-2/3/4 (модули SFP+, CFP). Тип линейного протокола (интерфейса) когерентного мукспондера/ транспондера G.709 OTN OTU4 (HG-FEC). К дополнительным возможностям транспондеров/мукспондеров относятся функции APS (Automatic Protection Switching) для линейного интерфейса, т. е. применение делителя оптической мощности на передаче на два равнозначных канала и использование автоматического оптического коммутатора на входе приемника для подключения одного из двух исправного канала, встраивание оптических усилителей EDFA, EDRA. Рис. 7.20. Варианты формирования линейных (транспондерной и мукспондерной) карт в оптическом мультиплексоре TM2000 TRANMODE 2 1 URL: www.optelian.com (дата обращения: 27.01.2015). 2 URL: www.transmode.com (дата обращения: 27.01.2015). 271 Контрольные вопросы 1. Что называют оптическим трансивером? 2. Что называют оптическим транспондером? 3. Что называют оптическим мукспондером? 4. Чем отличается когерентный транспондер от некогерентного? 5. Что представляют собой оптические модули SFP и XFP? 6. Чем отличаются модули SFP от модулей SFP+? 7. Какое назначение имеют модули SFP, XFP, CFP? 8. Чем отличаются в конструкциях и характеристиках одноволоконные и двухволоконные модули SFP, XFP? 9. Что в схеме модуля SFP обеспечивает функции DDM? 10. Какое назначение имеют модули TOSA и ROSA в составе SFP, XFP, CFP? 11. Какие источники оптического излучения могут входить в состав моду- лей SFP, XFP, CFP? 12. Какие приемники оптического излучения могут входить в состав моду- лей SFP, XFP, CFP? 13. Какие оптические волны используются для передачи сигналов модуля- ми SFP, XFP, CFP? 14. Чем отличаются модули CFP, CFP2, CFP4? 15. Для чего в модулях CFP используется WDM? 16. Для чего в модулях SFP, XFP используется WDM? 17. Что в ROSA может использоваться для разделения оптических волн? 18. Чем принципиально отличаются модули SFP, XFP и другие от транс- пондеров и мукспондеров? 19. Что входит в структуру когерентного транспондера 100 Гбит/с? 20. Какие характеристики используются для описания когерентного транс- пондера? 21. Чем различаются кодеры GFEC, HG-FEC, UFEC? 22. Чем характеризуют мукспондеры? 23. Какими устройствами реализуются клиентские интерфейсы транспон- деров и мукспондеров? 24. Какие дополнительные функции могут быть предусмотрены в структу- ре транспондера/мукспондера? 272 8. ОПТИЧЕСКИЕ МУЛЬТИПЛЕКСОРЫ И КОММУТАТОРЫ Оптические мультиплексоры и коммутаторы созданы для реализации ши- роких возможностей транспортных сетей: маршрутизации, коммутации оптиче- ских волоконных световодов, отдельных оптических волн, оптических син- хронных временных интервалов, оптических цифровых пакетов и мультиплек- сирования волн, временных интервалов и пакетов. В настоящее время в коге- рентных оптических сетях используется коммутация волокон и отдельных оптических волн, мультиплексирование отдельных волн (волновых каналов) и маршрутизация оптических соединений на основе отдельных волновых каналов или их групп. Волновой (или спектральный) канал рассматривается как комплекс техни- ческих средств, предназначенный для переноса на оптической частоте инфор- мационного сигнала с заданной полосой частот или скоростью передачи между двумя узлами оптической сети. Источником и получателем оптического сигна- ла в канале служат транспондеры или мукспондеры. Оптические каналы раз- личных источников и получателей создаются на отличающихся волнах. Интер- вал между волнами может составлять: 0,8 нм; 0,4 нм; 0,2 нм; 0,1 нм, что в сетке частот соответствует сетке ITU-T по рекомендации G.694.1 100 ГГц, 50 ГГц, 25 ГГц, 12,5 ГГц. Плотное расположение оптических каналов накладывает очень жесткие требования по взаимным переходным помехам. Это отражается на сложности разделяющих оптических фильтров. Поэтому для решения про- блем объединения и разделения оптических каналов предложены и реализованы ряд технических решений на основе различных технологий (брэгговских реше- ток, тонкопленочных фильтров, волноводных решетках AWG (Array-waveguide- grating, также называемых оптическими фазарами, Phased Arrays - PHASARs, ) на PLC (Planar Lightwave Circuit, плоских волновых каналов) и т. д.). Снизить тех- нические требования по взаимным влияниям между оптическими каналами удалось благодаря разработке интерливинговых фильтров (от англ. interleaving filter – фильтр чередования) на основе технологии PLC c интерферометрами Маха–Зендера (MZM), с кольцевыми резонаторами и др. Эти фильтры позво- ляют объединять/разделять каналы с 100 ГГц разносом по спектру в каналы с 50 ГГц, 25 ГГц и др. |