В. Г. Фокин Когерентные оптические сети
 Скачать 13.92 Mb.
|
|
9.2. Структуры пассивных оптических сетевых элементов и их функции Пассивные оптические сетевые элементы отличаются предельной простотой построения, но при этом выполняют важные сетевые самостоятельные функции независимо от активных сетевых элементов. 9.2.1. Пассивные оптические разветвители Пассивные оптические разветвители (рис. 9.9) служат для равномерного и неравномерного по мощности деления одноканального или многоканального (состоящего из ряда спектральных каналов) сигналов, например, в пассивных оптических сетях доступа с когерентным приемом на скорости 100 Гбит/с. Также разветвители могут быть селективными, т. е. на выходы могут проходить различные диапазоны волн, например, диапазоны S и С. 299 Рис. 9.9. Структура оптического разветвителя (а) и его реализация (б) Кроме того, эти устройства могут использоваться для объединения опти- ческих сигналов, разделенных по длине волны или оптических сигналов, пере- даваемых на одной волне, но с разделением по времени. Таким образом, эти простые сетевые элементы могут служить мультиплексорами и демультиплексорами оптических каналов, поддерживая функции широковещания. 9.2.2. Компенсаторы хроматической дисперсии Компенсаторы хроматической дисперсии, реализуемые в качестве сетевых элементов промежуточных станций (модуль компенсации, рис. 9.10), не входя- щих в состав других видов оборудования, сетевых элементов, используются для устранения накопления дисперсионных искажений волоконно-оптических ли- ний средней (на волокнах G.652/655 до 120 км) и большой протяженности (на волокнах G.652/655 до 400 км) в широком диапазоне передачи, например, 1530–1625 нм, в отличие от компенсаторов дисперсии в составе оборудования транспондеров отдельных оптических каналов, у которых достигнутые дистан- ции до 4000 км на отдельных узких диапазонах волн (например, в полосе волн 0,4–0,8 нм). Вносимые потери модулем HDCM для оптической мощности до 16 дБ на расстоянии до 400 км позволяют использовать его без дополнительных оптических усилителей на линиях с DWDM. Рис. 9.10. Модуль компенсации дисперсии HDCM 1 1 URL: http://optokon.ua (дата обращения: 27.01.2015). 300 9.2.3. Интерливинговые фильтры (диапазонные разветвители) Интерливинговые фильтры (рис. 9.11) при построении городских (метро- польных), местных сетей и сетей доступа с оптическими каналами DWDM поз- воляют разделять и объединять группы оптических спектральных каналов с различным интервалом частот (от 100–200 ГГц до 12,5–25 ГГц) и вносимыми потерями мощности до 3,5 дБ 1 Рис. 9.11. Элемент Маха–Зендера интерливингового фильтра Деление на отдельные волны и на группы волн может быть симметричным и несимметричным (рис. 9.12). При малых габаритах (рис. 9.13) и отсутствии энергообеспечения приборы могут использоваться в качестве самостоятельных сетевых элементов с фикси- рованной настройкой на диапазоны волн с определенным числом спектральных каналов (пример на рис. 9.12, б, в) деление 1 и 4, 2 и 2) и количеством выхо- дов/входов (2, 4, 8 и т. д.). Рис. 9.12. Варианты сетевых решений по разделению (и объединению) отдельных волн и диапазонов волн в интерливинговых сетевых элементах 1 URL: www.optoplex.com (дата обращения: 27.01.2015). 301 Рис. 9.13. Модуль интерливингового сетевого элемента 1 9.2.4. Оптические мультиплексоры OADM Пассивные оптические сетевые элементы для выделения и ввода оптиче- ских каналов OADM, как и выше названные сетевые элементы, имеют малые габариты, массу и используются без потребления энергии от каких-либо источ- ников. В основе этих устройств находятся оптические частотнозависимые ком- поненты (оптические фильтры, циркуляторы, интерферометры и т. д.), благода- ря которым можно с минимальными потерями оптической мощности выделить и ввести оптические спектральные сигналы. Примеры упрощенных структур OADM представлены на рис. 9.14 и 9.15. На рис. 9.16 представлен физический блок сетевого элемента OADM. Рис. 9.14. Пример упрощенной структуры OADM на основе брэгговской решетки 1 URL: www.optoplex.com (дата обращения: 27.01.2015). 302 Каскадная установка решеток Брэгга (FBG, Fiber Bragg Grating), настроен- ных на различные волновые каналы, позволяет получить фиксированный до- ступ к оптическим каналам по числу этих решеток. Для изменения конфигура- ции оптических каналов в сети необходимо заменить решетки с соответствую- щей настройкой. Рис. 9.15. Структура оптического мультиплексора выделения/ввода на основе интерливинговых фильтров Определенные наборы интерливинговых фильтров позволяют построить схемы OADM с доступом к различным оптическим каналам и любым вариан- том сеток частот, например, от 100 ГГц до 400 ГГц, или от 12,5 ГГц до 100 ГГц. При этом ключевыми характеристиками сетевых элементов являются: количе- ство выделяемых/вводимых оптических каналов; потери оптической мощности на один канал; полоса частот передачи; вносимые дисперсионные искажения; взаимные влияния оптических каналов. Рис. 9.16. Конструкция OADM для доступа к каналам CWDM 1 1 URL: www.fiberstore.com (дата обращения: 27.01.2015). 303 Для приведенного примера OADM FiberStore величина потерь оптической мощности при выделении/вводе составляет от 2,5 дБ до 4,0 дБ при изоляции каналов ≥25 дБ; полоса пропускания около 14 нм по уровню 0,5 от максималь- ного коэффициента передачи; поддерживаемая сетка волн CWDM 20 нм. Аналогичные решения FiberStore и других производителей известны для DWDM. 9.3. Структуры оптических сетей Оптические сети связи по современной стандартизации, с учетом возмож- ностей когерентных оптических каналов 40/100 Гбит/с (в перспективе до 1 Тбит/с) и технологии Ethernet, подразделяются на участки четырех видов (рис. 9.17): Cabling в интервале от 0–40 км; Access в интервале от 10–100 м до 500 км; Metro в интервале от 10 км до 2000 км; Long Haul (LH) в интервале от 100 км до 10000 км. На этих участках могут использоваться различные оптиче- ские интерфейсы, которые уже стандартизируются различными международ- ными организациями (IEEE, ITU-T, MEF, OIF и т. д.). Структуры оптических сетей в любом из четырех видов реализации имеют физическое и логическое построение, соответствующее топологиям на рис. 9.18, где представлено восемь вариантов. Эти варианты могут рассматриваться как физические, так и логические решения, например, в топологии физического кас- кадного соединения «линейная цепь» может быть логическая организация опти- ческих каналов «звезда», т. е. один физический узел связан оптическими канала- ми с остальными узлами и эти остальные узлы не имеют между собой связи, кроме как через один узел. Другой пример, в физическом кольцевом соединении возможна логическая организация оптических каналов «каждый с каждым». Рис. 9.17. Виды оптических сетей и их характеристики 304 С какой целью при организации оптических сетей связи требуется рас- сматривать различные физические и логические топологии? Рис. 9.18. Варианты топологий оптических сетей связи Ответить на этот вопрос просто, если сформулировать требования по орга- низации оптической сети, например, требование надежности и защищенности оптических каналов от одиночных и двойных отказов/повреждений линий свя- зи, промежуточных узлов; возможности реализации различных конфигураций оптических соединений динамично, т. е. с малыми временными интервалами реконфигурации и наилучшими (по критерию OSNR) маршрутами оптических соединений (оптического канала, группы оптических каналов) и т. д. Простая физическая топология оптической сети, например, линейная цепь (рис. 9.19), имеет преимущество по стоимости реализации, наращиваемости числа спектральных каналов и организации таких логических топологий, как «линейная цепочка» с доступом к информационным сигналам во всех узлах, «дерево», «звезда», «шина» и т. д., но при этом каждый из ее участков между узлами (А-Б, Б-В, В-Г) уязвим при повреждении оптического кабеля и для по- вышения надежности нуждается в параллельной (резервной) волоконно- оптической линии и устройствах переключения на резерв. Рис. 9.19. Пример организации линейной оптической сети с каналами по древовидной топологии 305 Сложные оптические сети, например, кольцевые (рис. 9.20), ячеистые и смешанные (линейно-кольцевые, линейно-кольцевые-ячеистые), не смотря на свою избыточность в оборудовании, линиях и конфигурациях каналов, имеют принципиально важные преимущества в организации защитных соединений, маршрутов оптических каналов с возможностями оперативной перестройки, оптимизации числа используемых оптических волн для организации коммути- руемых оптических соединений. Пример на рис. 9.20 демонстрирует два вари- анта распределения волн для оптических каналов по топологии «каждый с каж- дым» при организации связи между узлами кольцевой сети (А, Б, В, Г). В вари- анте с защитой волновых каналов требуется 6 волн, которые сохраняются за со- единениями на всех участках и не могут использоваться для других соедине- ний. В варианте кольцевой схемы с защитой секций волны в каждой секции мо- гут использоваться независимо от волн других секций, например, повторно назначаться (волна λ1 на участках А–Б, Б–В и волна λ2 на участках Б–В, В–Г), что позволяет сократить ресурс оптического спектра с 6 до 4 волн. Однако реа- лизация защищенного второго варианта потребует применения резервного опти- ческого кабеля или резервных волокон другого кабеля на каждой оптической секции между узлами. Рис. 9.20. Пример организации кольцевой оптической сети с оптическими каналами между всеми узлами Физические топологии оптических сетей «кольцо» и «ячейка» предпола- гают избыточность физических связей, которые при затратах на резервирование имеют лучшие показатели в сравнении с линейными топологиями («линейная цепь», «звезда», «дерево») с удвоением числа оптических линий для резервиро- вания. 306 9.4. Защита соединений в оптических сетях Для защиты соединений в оптических сетях предусмотрены международ- ные стандарты, например, ITU-T рекомендации G.808.1, G.798.1 и соответ- ствующие дополнительные физические и алгоритмические опции оборудования от различных производителей, например, оптический коммутатор Oplink Com- munications 1+1, 1:1 1 Защите в оптической сети подлежат оптические секции мультиплексиро- вания и оптические каналы (одиночные и объединяемые в группы). Защита оптической секции мультиплексирования: ─ защита одноволоконной (передача и прием сигналов с WDM в одном волокне) секции мультиплексирования в режимах 1+1 и 1:1 (1:N, где N – число рабочих волокон на одно волокно защиты; M:N, где M – число защитных воло- кон на N рабочих волокон); ─ защита двухволоконной (передача и прием сигналов WDM в двух отдельных волокнах одного оптического кабеля) секции мультиплексирования в режимах 1+1 и 1:1(1:N, где N – число пар рабочих волокон на пару волокон защиты; M:N, где M – число пар защитных волокон на N пар рабочих волокон) (пример на рис. 9.21); ─ защита в кольцевой оптической сети (с однонаправленными и двуна- правленными соединениями оптических каналов) при использовании ROADM и PXC (пример на рис. 9.22). Существует международная система обозначения защиты оптической сек- ции мультиплексирования и оптических каналов с использованием индекса «О»: однонаправленной секции O-ULSR (Optical Unidirectional Line-Switched Ring ) или OMS-DPRing (Optical Multiplex SectionDedicated Protection Ring) (1+1) – (1:1); двунаправленной секции O-BLSR (Optical Bi-directional Line Switched Ring) или OMS-SPRing (Optical Multiplexed Section Shared Protection Rings) (1:N) – (M:N). Защита оптических каналов: с использованием спаренных транспондеров (рабочий и резервный транспондеры с каждой стороны канала) и резервного оптического канала, гео- графически разнесенного с рабочим каналом (пример на рис. 9.23, а); с использованием оптического разветвителя для сигнала на передаче и селектора сигнала на приеме для сигналов рабочего и резервного путей, имею- щих различные географические маршруты (пример на рис. 9.23, б); защита оптических каналов в кольцевой сети, обозначаемых индексом «О», однонаправленных каналов O-UPSR (Optical Unidirectional Path Switched Ring) или OCh-DPRing (OCh-Dedicated Path Protection Rings) (1+1) – (1:1) и двуна- правленных O-BPSR (Optical Bi-directional Path Switched Ring) или OCh-SPRing 1 URL: www.oplink.com (дата обращения: 27.01.2015). 307 (OCh-Shared Protection Ring) (1:N) – (M:N ), где буквенные индексы D и S обо- значают: D – dedicated fiber line или Wavelength, т. е. переключение на назначенное резервное волокно или оптическую волну (волновой канал OCh); S – shared fiber link или Wavelength, т. е. переключение на определенную волоконную линию или волну (оптический канал OCh). Оптические каналы в кольцевой сети могут защищаться только при нали- чии в составе ROADM или/и PXC соответствующих маршрутируемых (с таб- лицами рабочих и резервных состояний) оптических коммутаторов. Рис. 9.21. Пример защиты соединения оптической секции мультиплексирования Рис. 9.22. Пример защиты соединения двунаправленных оптических каналов по логической топологии «звезда» в кольцевой сети 308 Рис. 9.23. Варианты защиты оптического канала с дополнительными транспон- дерами (а) и оптическими коммутационными блоками разветвитель-коммутатор (б) 9.5. Принципы управления оптическими сетевыми элементами Принципы управления оптическими сетевыми элементами и оптическими сетями базируются на ряде международных стандартов, прежде всего, реко- мендациях серии M.3000 ITU-T. Управление состоит в формировании оптиче- ских и электрических каналов передачи информационной нагрузки, оптических и электрических каналах передачи данных управления и т. д. Общее принятое обозначение функций управления OAM&P (Operation, Administration, Maintenance and Provisioning – эксплуатация, администрирование, техническое обслуживание и настройка). Эти функции группируются по назначению: ─ управление конфигурацией (Configuration Management); ─ управление повреждениями (Fault Management); ─ исполнение функций мониторинга (наблюдения) (Performance Monitoring); ─ управление безопасностью (Security Management). Группирование функций относится к двум уровням управления: управление на уровне сетевых элементов (мультиплексорами OADM/ ROADM, коммутаторами PXC) EML (Network Element Management Layer); управление на уровне сети (различные сетевые конфигурации и соеди- нения оптических каналов) NML (Network Management Layer). Для реализации управления в состав каждого активного сетевого элемента входит контроллер управления (см. рис. 2.76, 2.77), подключенный к каналам 309 передачи данных по подходящему протоколу, например, часто используемые протоколы SNMP V в одной из версий (V = 1, 2, 3…). Контроллер имеет базу данных управления и программу взаимодействия «Менеджер-агент» с под- держкой соответствующих команд управления. Как правило «Менеджер» раз- мещается в сервере управления главной станции сети, а «Агент» находится в управляемых сетевых элементах. Управление конфигурацией предполагает управление конфигурацией обо- рудования ROADM, PXC и управление конфигурацией оптической сети (опти- ческими каналами и секциями). Конфигурирование оборудования предполагает реализацию ряда функций: управление каналами выделения и ввода; управление кроссовой коммутацией; управление рядом параметров источников временных интервалов; управление защитными переключениями; управление транспондерами (активация и деактивация). Конфигурирование оптической сети предполагает реализацию таких функций, как установку вида сети (линейная, кольцевая и т. д.), установление транзитных соединений для оптических каналов и завершение пути оптических каналов, защитные переключения оптических секций мультиплексирования или отдельных оптических каналов, перегруппировки оптических каналов по направлениям и схемам защиты. На возможности создания и поддержки какой-либо конфигурации в опти- ческой сети в рабочем и аварийном режимах могут накладываться ограничения по OSNR, по энергетическому потенциалу, по дисперсионным искажениям сигналов в каналах. Конфигурирование оптической сети обычно отображается на карте мест- ности, которая создается на экране монитора, и также в виде задания маршру- тов оптических каналов. Управление повреждениями предполагает обнаружение в оборудовании аварийных сигналов, их отображение в системе управления и на информацион- ных панелях отдельных плат оборудования (светодиоды сигнализации). Управ- ление состоит в локализации повреждения и выработке действий на снижение потерь от простоя оптических каналов, т. е. активизации защиты отдельных блоков оборудования и изменение конфигурации оптической сети для обхода поврежденных участков. При этом происходит фиксация аварийных состояний в базе данных управления с временными метками об отказе и восстановлении. Системой управления может быть зафиксировано состояние ухудшения опти- ческих каналов по снижению оптической мощности в каждом канале или сни- жению средней мощности всех оптических каналов в групповой части (после оптического мультиплексора или перед оптическим демультиплексором, в оптическом усилителе). Функции мониторинга предполагают сбор, обработку и хранение инфор- мации, которая характеризует качественное состояние оборудования и всей оптической сети. 310 Функции мониторинга подразделяются на ряд групп: ○ сбор и передача данных (в системе агент-менеджер); ○ представление статусов специфических типов мониторинга и элемен- тов мониторинга (параметров оптической и цифровой передачи); ○ инициализация элементов мониторинга; ○ представление регистрируемых данных (таблицы, гистограммы); ○ активация аварий (сообщения о авариях) при превышении пороговых показателей с последующей трансляцией сообщений; ○ формирование историй состояний сети, сетевых элементов с времен- ными интервалами, кратными 15 мин, в течение суток и т. д. Управление безопасностью предполагает безопасную работу отдельных сетевых элементов и всей оптической сети. К управлению безопасности сете- вых элементов относится: степень физического присутствия персонала у обо- рудования; пожарная и другая безопасность помещения с оборудованием; реги- страция, удаление и изменение кодов доступа в помещение, кодов доступа в систему управления сетевым элементом. Безопасная работа оптической сети также определяется параметрами до- ступа пользователей (эксплуатационного персонала) к кодам вхождения в си- стему управления всей сетью (user ID, password) и степенью доступности функ- ций управления (management level). |