В. Г. Фокин Когерентные оптические сети
 Скачать 13.92 Mb.
|
|
8.4. Оптические (фотонные) кросс-коммутаторы OXC/PXC Фотонные коммутаторы для кроссовых соединений позволяют создавать надежные оптические сети с большими возможностями по организации соеди- нений на основе волоконных линий и спектральных каналов. При этом соеди- нения можно защитить от повреждений при коротком нормированном времени переключения (обычно не более 50 мс). Также применение фотонной кросс- коммутации может служить основой для статичных и динамичных оптических соединений. Статичные оптические соединения, как наиболее простой вид опти- ческой передачи с защитой или без нее, применяется для долговременных свя- зей типа «точка–точка» и «точка–много точек» (обычно это временной интер- вал от суток до года и более). Динамичные оптические соединения (с защитой или без защиты) создаются только на время сеанса или передачи информацион- ных сигналов. Они создаются по командам системы сигнализации (обычно это временной интервал от нескольких минут до нескольких часов). Динамические соединения могут быть эффективнее статических при необходимости перерас- пределения потоков информационных сообщений в часы наибольшей нагрузки, 288 что становится наиболее актуальным при построении оптических мультисер- висных транспортных сетей с пропускными способностями в десятки терабит в секунду. Наилучшее или оптимальное по критерию загруженности соединений сетевое решение получило название «Груминг» (от англ. grooming). Процедуры груминга реализуются различными алгоритмами поиска оптимальных маршру- тов для статических и динамических соединений [106]. Фотонные кроссовые коммутаторы PXC следует рассматривать в качестве сетевых элементов, с возможностями более широкими, чем для ROADM. Структурное построение фотонных кроссовых коммутаторов PXC (OXC) в общем виде предполагает три уровня (рис. 8.22): коммутацию волоконных све- товодов FXC (Fiber Cross-Connect); коммутацию групп волновых (спектраль- ных) каналов или оптической полосы волн BXC (waveBand Cross-Connect); коммутацию отдельных спектральных каналов (длин волн) WXC (Wavelength Cross-Connect). Источниками и приемниками сигналов оптических каналов являются транспондеры и мукспондеры (TPD, MUXPD), подключаемые к циф- ровым кроссовым коммутаторам DXC (Digital Cross-Connect). Для объединения и разделения оптических волновых полос и отдельных волн используются оптические мультиплексоры/демультиплексоры (BTF mux – оптическая полоса в волокно, WTB mux – волна в полосу, FTB demux – из волокна в полосу, BTW demux – из полосы волну). Физическое исполнение устройств FXC, BXC, WXC представляет собой матрицы микрозеркал MEMS, подложки с управляемыми оптическими каналами PLC и т. д. Мультиплексоры и демультиплексоры также в известных реализаци- ях устройств интерливинга, волноводных решеток AWG и т. д. Основой для по- строения PXC(OXC) может служить ROADM – WSS с отдельными блоками че- тырех географических направлений (запад–восток–север–юг) (рис. 8.23). Рис. 8.22. Структура оптического кроссового коммутатора 289 Рис. 8.23. Структура OXC на основе ROADM с волновыми селективными коммутаторами WSS Проблемы использования оптических кроссовых коммутаторов в сетях связи аналогичны тем, что и в случае применения ROADM. Контрольные вопросы 1. С какой целью созданы оптические мультиплексоры и коммутаторы? 2. Что представляет собой волновой (спектральный) оптический канал? 3. Что служит источником и получателем сигнала в оптическом канале? 4. Какие интервалы предусмотрены между спектральными (волновыми) каналами? 5. Какие технологии используются для изготовления оптических фильтров, мультиплексоров, коммутаторов? 6. Что такое оптический интерливинг? 7. Как устроена решетка AWG? 8. Чем определяется разрешающая способность волноводной решетки? 9. Какие характеристики имеют решетки AWG? 10. Какие виды кривой полосы пропускания могут иметь AWG? 11. Какова допустимая величина дисперсии в волновом канале AWG? 12. Какое назначение имеют интерливинговые фильтры? 13. В чем состоит преимущество использования интерливинговых фильтров? 14. Какая элементная база служит построению интерливинговых фильтров? 15. С какой целью в ВОСП используются оптические коммутаторы? 16. Какие разновидности оптических коммутаторов по назначению можно определить? 17. Что входит в набор требований к оптическим коммутаторам? 290 18. Чем отличаются симметричные и несимметричные оптические комму- таторы? 19. Какие различают виды коммутационных ячеек? 20. Чем характеризуют все виды оптических коммутаторов? 21. Какие технологии используют для построения коммутаторов? 22. Что представляет собой оптический коммутатор WSS? 23. Чем создаются возможные маршруты волн в коммутаторе WSS? 24. Что представляют собой оптические мультиплексоры OADM/ROADM? 25. Чем принципиально отличаются OADM и ROADM? 26. Какие типы ROADM используются в настоящее время и перспективны для дальнейшего применения? 27. Какие проблемы существуют по применению ROADM? 28. Какое назначение имеют фотонные кроссовые коммутаторы? 29. Чем различаются статические и динамические соединения в фотонных коммутаторах? 30. Что входит в общую структуру построения фотонного кросс- коммутатора? 31. Что такое grooming в оптической сети? 32. С какой целью в состав фотонного коммутатора входят транспондеры и мукспондеры? 291 9. СЕТЕВЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ И КОНФИГУРАЦИИ ОПТИЧЕСКИХ ТРАНСПОРТНЫХ СЕТЕЙ Сетевые элементы оптических сетей (ONE, Optical Network Element) пред- ставляют собой устройства, в которых реализуются функции создания и/или поддержки управляемых (коммутируемых) и неуправляемых соединений спек- тральных (волновых) каналов, групп спектральных (волновых) каналов, секций оптического мультиплексирования и передачи. Сетевые элементы оптических сетей подразделяются на активные и пас- сивные. Активными оптическими сетевыми элементами являются: оптические усилители; оптические терминальные мультиплексоры с транспондерами (мукспондерами) и оптическими усилителями; оптические мультиплексоры ROADM; оптические кроссовые коммутаторы; электронные коммутаторы с оптическими интерфейсами. Все активные сетевые элементы оснащаются встроенными функциями сетевого управления, реализуемыми контроллерами с встроенными программами «агентов», «менеджеров» и выделенными сервис- ными оптическими каналами. Пассивными оптическими сетевыми элементами являются мультиплексоры типа OADM (например, на брэгговских фильтрах), не оснащенные оптическими усилителями и транспондерами, пассивные оптические разветвители, отдельно используемые компенсаторы дисперсии, интерливинговые фильтры. Пассивные оптические сетевые элементы, в отличие от активных сетевых элементов, не требуют энергоисточников. 9.1. Структуры активных сетевых элементов оптических сетей В структуры активных сетевых элементов включаются различные оптиче- ские и электрические блоки (транспондеры TPD и мукспондеры MUXPD, опти- ческие усилители OA и т. д.), что зависит от требуемых решений в сети связи. Примеры формирования структур сетевых элементов рассмотрены ниже. 9.1.1. Оконечный (терминальный) оптический мультиплексор Структура оптического оконечного или терминального сетевого элемента OLT (Optical Line Terminal) представлена на рис. 9.1. В структуре OLT может быть укомплектовано несколько транспондеров и мукспондеров (TPD/MUXPD), широкополосные оптические усилители для передачи в линию (бустер) и приема для повышения чувствительности (предусилитель) (OA), оптический мульти- плексор/демультиплексор (MUX), транспондер сервисного оптического канала (TPD OSC). Также OLT характеризуется в оптической сети числом образуемых спектральных каналов в определенном диапазоне волн, например, 1530–1560 нм. Обычно сервисный канал OSC находится вне рабочего диапазона, например, на волне 1490 нм или 1510 нм, и мощность излучения его передатчика ниже мощ- ности любого из информационных оптических каналов. 292 Рис. 9.1. Структура оконечного оптического сетевого элемента «Мультиплексор OLT» Помимо основных функций сетевого элемента (терминирование и обслу- живания оптических информационных каналов) в OLT реализованы дополни- тельные обязательные функции по электропитанию, сигнализации, управления безопасностью, служебной связи. Мультиплексор OLT реализуется, как прави- ло, на основе универсальной транспортной платформы (многоместной корзины или поддона) с соответствующим комплектованием блоками (транспондерами, мукспондерами, мультиплексором/демультиплексором, оптическими усилите- лями, контроллером управления, электропитающим блоком и т. д.). 9.1.2. Оптический мультиплексор выделения/ввода Сетевые оптические элементы с общим названием «Оптический мульти- плексор выделения/ввода» отличаются от терминальных мультиплексоров большими функциональными возможностями при построении различных топо- логий оптических сетей. Эти возможности связаны с доступом к оптическим каналам, гибким изменениям конфигураций соединений на основе оптических каналов, защитными переключениями для волоконных линий и спектральных каналов и т. д. В общей структуре сетевого элемента «Оптический мультиплексор выделе- ния/ввода» применяются (рис. 9.2): мультиплексор ROADM на основе одной из трех технологий (WB, PLC/MEMS, WSS); оптические усилители; транспонде- ры/мукспондеры и др. компоненты. Благодаря применению ROADM возможно построение сетевого элемента с различными решениями по доступу к оптиче- ским каналам (рис. 9.3), что позволяет планировать и проектировать оптическую сеть в каждом узле связи по потребностям информационного трафика. При этом сохраняется некоторая заданная конфигурация сети, но может изменяться структура соединений на основе оптических каналов. 293 Рис. 9.2. Структура оптического сетевого элемента выделения/ввода «Мультиплексор ROADM» Рис. 9.3. Варианты функционального исполнения оптических сетевых элементов выделения/ввода На рис. 9.3, а представлен вариант полного доступа ко всем оптическим ка- налам для выделения и ввода на волнах от λ 1 до λ n . В таком варианте может по- требоваться полная комплектация оборудования транспондерами/мукспондерами 294 всех каналов и коммутационный узел, поддерживающий 2n соединений. На рис. 9.3, б, в представлены варианты доступа к отдельным оптическим каналам по различным направлениям (восток или запад) организации связи. На рис. 9.3, г представлен вариант организации доступа к отдельным оптическим каналам по схеме широковещания или распределения информационного трафика. Послед- ний вариант используется в одном направлении передачи информации для опо- вещения, радио и телевизионных передач без обратного канала связи. 9.1.3. Узлы оптической кроссовой коммутации Сетевые элементы с кроссовой коммутацией представляют собой наиболее сложные технические, технологические и алгоритмические решения при построе- нии оптической сети связи. Технические сложности связаны с большим объемом оборудования, энергообеспечением, площадями размещения. Технологические сложности обусловлены необходимостью сопряжения различного пользователь- ского оборудования (различных технологий передачи данных: PDH, SDH, Ethernet, ATM, MPLS и др.) с оптическим оборудованием спектральных каналов и техноло- гиями организации оптических каналов (DWDM, CWDM), волоконно-оптических линий связи с различными волокнами (G.652 a,b,c,d,; G.653; G.655), систем управ- ления и мониторинга. Алгоритмические сложности обусловлены необходимостью использования различных программных продуктов не только по управлению в се- ти, но и в маршрутизации оптических каналов, создании, поддержке рабочих и за- щитных соединений. Все вышеуказанные сложности повлияли на структурные ре- шения сетевых элементов кроссовой оптической коммутации (рис. 9.4–9.7). Первый вариант узлового сетевого элемента (см. рис. 9.4) представляет со- бой сочетание терминальных оптических мультиплексоров, оснащенных транс- пондерами и электронного коммутатора с оптическими модулями сопряжения для коротких волоконных линий CFP (преобразование оптика-электроника О-Э). Рис. 9.4. Структура узлового оптического сетевого элемента с электронным кроссовым коммутатором 295 Электронный коммутатор поддерживает коммутацию синхронных оптиче- ских блоков, например, VC3/4 в технологии SDH или коммутацию пакетов (кадров, фреймов) в технологии Ethernet. Возможно совмещение нескольких видов коммутаторов каналов и пакетов в одном оборудовании в виде отдель- ных физических опций в одной или различных корзинах и применение мукспондеров для передачи информационных потоков с различными техноло- гиями. При этом каждый из коммутаторов поддерживает и мультиплексирова- ние по соответствующей технологии. Рис. 9.5. Структура узлового оптического сетевого элемента с оптическим кроссовым коммутатором и выносными линейными терминалами Применение оптической коммутации в составе сетевого узлового элемента позволяет уменьшить объем электронного оборудования для различных техно- логий, упростить алгоритмические средства и производить оптические соеди- нения на одном коммутаторе. Сложностью считать необходимость учета в про- грамме коммутации технологии передачи информационных данных в оптиче- ских каналах, т. к. каналы могут оказаться несовместимыми, например, Ethernet и TP-MPLS имеют различные кадровые структуры и терминалы, которые в ком- мутируемом соединении несовместимы. При этом оптическая коммутация мо- жет быть выполнена на одной длине волны (преобразования оптика – электроника – оптика О-Э-О в CFP) в пространственно-разнесенных коммута- ционных ячейках без блокировки. Применение модулей CFP позволяет выно- сить линейные оптические терминалы на значительные расстояния от узла коммутации (до 10 км). При концентрации всех информационных оптических каналов в одном узле структура оптического коммутатора может быть упроще- на за счет исключения модулей CFP между линейными терминалами и оптиче- ской коммутационной средой (см. рис. 9.6). При этом оптический коммутатор 296 также остается полнодоступным для всех оптических перекрестных соединений без блокировки. Конечно, соединить два оптических канала одного или разных направлений с третьим нельзя, но сохраняется возможность ответвления части оптической мощности для выделения или перенаправления в другие каналы. Рис. 9.6. Структура узлового оптического сетевого элемента с оптическим кроссовым коммутатором с концентрацией в узле При использовании в узлах оптической коммутации «цветных каналов», т. е. оптических каналов на различных волнах, возможности по установлению соединений ограничиваются количеством одинаковых спектральных составля- ющих (см. рис. 9.7) при предельной простоте построения коммутационной сре- ды и терминирования сигналов WDM. Однако соединения такого вида будут светопрозрачными (или просто прозрачными), т. е. сохраняющими оптическое излучение от источника информационного потока до получателя в транспортной сети. Любые другие соединения в оптической сети (см. рис. 9.4–9.6) не являются прозрачными, т. е. не поддерживают сквозные оптические соединения. При необходимости установления соединений между каналами с различ- ными λ i в состав оптического коммутатора должны включаться волновые кон- верторы типа О-Э-О, например, на основе модулей XFP, CFP или оптические конверторы волн типа О-О, например, на основе полупроводниковых оптиче- ских усилителей. 297 Рис. 9.7. Структура узлового оптического сетевого элемента с оптическим кроссовым коммутатором для «цветных (прозрачных) соединений» 9.1.4. Оптические усилители Сетевые элементы для восстановления мощности сигналов в оптических каналах называются оптическими усилителями. В отличие от других сетевых элементов они менее сложные, малогабаритные, обеспечивают минимальное потребление электрической энергии, но обязательно оснащаемые средствами дистанционного мониторинга и, при необходимости, средствами управления (переключения на резерв, изменения коэффициента усиления и др.). В структуру сетевого элемента «Оптический усилитель» входят (рис. 9.8): два разнонаправленных оптических усилителя OA (эрбиевые, рамановские, комбинированные и др.); устройства электропитания и стабилизации питающих токов накачки лазеров; контроллер для мониторинга и управления с интерфей- сами для подключения сервисного канала, локального мониторинга функций усилителей, служебной связи и сигнализации. При построении одноволоконной системы передачи с разделением спектральных каналов по полосам оптических диапазонов, например, по полосам C и L, в сетевом элементе может использо- ваться один оптический усилитель на обе полосы и все остальные названные выше вспомогательные компоненты. Сетевые элементы «Оптические усилите- ли» могут дополняться компенсаторами хроматической дисперсии прилегаю- щих участков оптического кабеля. При этом компенсаторы могут размещаться как со стороны приема (посткомпенсация), так и со стороны передачи (пред- компенсация). Использование посткомпенсатора снижает уровень мощности на входе усилителя и практически снижает OSNR на выходе. Предкомпенсатор не снижает OSNR на выходе усилителя, но может создать нелинейные помехи в случае использования компенсирующего волокна с меньшим диаметром серд- цевины, большой протяженности (до 10 км) и при максимальной мощности всех спектральных каналов (около 50 мВт). В составе оптических усилителей OA могут применяться оптические эквалайзеры, которые выравнивают уровни 298 мощности сигналов в оптических каналах, что позволяет достигать равномер- ного соотношения OSNR. Оптический сервисный канал на волне λ OSC доступен в каждом сетевом элементе с каждой из сторон передачи благодаря использованию направленных селективных ответвителей и завершается в транспондере OSC. Передача слу- жебных сообщений мониторинга и управления происходит по протоколам Ethernet, TCP/IP и др. Рис. 9.8. Структура оптического сетевого элемента «Оптический усилитель» |