книги / Передача информации в распределенных информационно-управляющих системах

предназначенные для передачи каналов STM-16 (2,5 Гбит/с), и, на-

конец, STM-64 (10 Гбит/с).

а

б

Рис. 2.6. Типы ретрансляторов: а – электронно-оптический повторитель (регенератор параметров сигнала); б – оптический усилитель

2.3.4. Применение ВОЛС

ВОЛС широко применяются в стандартах современных сетевых технологий.

Стандарт Ethernet для многомодового волокна. Оптиче-

ский интерфейс 10Base-FL предполагает манчестерское кодирование с частотой модуляции 20 МГц. При использовании светодиодов с Δλ = 35 нм (850 нм) удельная полоса пропускания для волокна 50/125 составляет 125 МГц·км и при длине оптического сегмента 4 км будет 31 Мгц, что больше 20 МГц. То есть с точки зрения дисперсии протяженность в 4 км является допустимой при указанной характеристике оптического передатчика и при данном типе волокна. Однако по затуханию, которое на этой длине волны составляет 3 дБ/км, динамического диапазона у стандартных

41

приемопередатчиков на это расстояние может не хватить. Стандартом Ethernet 10Base-FL установлено допустимое расстояние 2 км с учетом менее строгих требований как к характеристикам кабельной системы (например, волокно 62,5/125, наличие нескольких сухих соединительных стыков), так и к оптическим приемопередатчикам = оптическим трансиверам Ethernet (напри-

мер, Δλ = 50 нм).

Стандарт FDDI для многомодового волокна. Оптический интерфейс FDDI PMD предполагает кодировку 4B/5B с частотой модуляции 125 МГц. При использовании светодиодов с Δλ = = 35 нм (1310 нм) удельная полоса пропускания для волокна 62,5/125 составляет 450 МГц·км и при длине оптического сегмента 2 км будет 225 Мгц, что больше 125 МГц. То есть с точки зрения дисперсии протяженность в 2 км является допустимой, что находится в полном соответствии со стандартом FDDI PMD на многомодовое волокно.

Слабая зависимость полосы пропускания многомодового волокна (например, 62,5/125) от спектральной ширины источника излучения, работающего на длине волны 1310 нм (450 Мгц·км при Δλ = 35 нм, и 452 Мгц·км при Δλ = 2 нм), объясняется незначительной долей хроматической дисперсии по сравнению с межмодовой в силу близости рабочей длины волны к длине волны нулевой дисперсии. Таким образом, технические требования к спектральной полосе оптических передатчиков для работы по многомодовому волокну на длине 1310 нм обычно слабые.

Полностью оптические сети AON (All-optical Networks)

представляют класс сетей, в функционировании которых главную роль при коммутации, мультиплексировании, ретрансляции играют не электронные (оптоэлектронные), а чисто оптические технологии.

Полностью оптические сети претендуют на роль главенствующей технологии, способной обеспечивать требуемую (очень большую, по сегодняшним меркам) полосу пропускания как для сегодняшних, так и завтрашних сетевых информационных приложений.

42

Отсутствие преобразований в электрическую форму позволяет существенно удешевить сеть. Однако возможности оптических технологий пока еще недостаточны для создания масштабных полностью оптических сетей, поэтому их практическое применение ограничено фрагментами, между которыми выполняется электрическая регенерация сигнала.

В настоящее время выпускается огромное число устройств – от простых мультиплексоров и направленных ответвителей WDM, до сложных устройств, обеспечивающих плотное волновое мультиплексирование/демультиплексирование (DWDM) с числом каналов до 40 и более.

Оптический мультиплексор собирает несколько простых сигналов разных длин волн из нескольких волокон в мультиплексный сигнал, распространяющийся по одному волокну.

Демультиплексор выполняет обратную функцию и обеспечивает выделение каналов в отдельные волокна из сложного мультиплексного сигнала, представленного множеством каналов и идущего по одному волокну.

Оптические усилители требуются в сетях при больших расстояниях между регенераторами. В полностью оптических сетях широкое распространение получили эрбиевые усилители EDFA.

Эти оптические устройства непосредственно усиливают световые сигналы в диапазоне 1550 нм, исключая необходимость промежуточного преобразования их в электрическую форму, как это делают регенераторы, применяемые в сетях SDH. Усилители EDFA не только заменили дорогостоящие оптоэлектронные системы регенерации оптического сигнала, но обеспечили возможность усиления многоканального WDM и DWDM сигнала, сокращая число электронных регенераторов на протяженной оптической мультиплексной линии.

Оптические коммутаторы выполняют в полностью оптических сетях ту же функцию что и обычные электронные коммутаторы в традиционных сетях, а именно обеспечивают коммутацию каналов или коммутацию пакетов.

43

Оптические фильтры предназначены для выделения одного нужного канала из множества мультиплексных каналов, распространяемых в волокне. Поскольку фотоприемники имеют обычно широкую спектральную область чувствительности, то фильтр необходим для того, чтобы подавить (ослабить) соседние каналы.

Волновые конвертеры предназначены для преобразования одной длины волны в другую (можно провести сравнение с электрической схемой преобразования частот с операциями демодуляции/модуляции сигналов).

Мультиплексоры DWDM рассчитаны на работу с большим числом каналов (до 32 и более), поэтому наряду с устройствами DWDM, в которых мультиплексируются (демультиплексируются) одновременно все каналы, допускаются также новые устройства, не имеющие аналогов в системах WDM и работающие в режиме добавления или вывода одного и более каналов в/из основного мультиплексного потока, представленного большим числом дру-

гих каналов (add-drop MX/DMX).

На рис. 2.7 приводятся обозначения элементов A ON.

Рис. 2.7. Обозначения элементовAON

44

Современные тенденции развития средств телекоммуникационной связи свидетельствуют о перспективности систем передачи по волокну, в которых совмещаются синхронное временное мультиплексирование – ТDМ-мультиплексирование (электронные технологии STM-16 на 2,4 Гбит/с и STM -64 на 10 Гбит/с) в пределах одной длины волны и волновое мультиплексирование WDM /DWDM (оптические технологии).

На рис. 2.8. представлены два варианта оптических систем связи.

а

б

Рис. 2.8. Оптические системы связи на основе: (а) каскада регенерационных повторителей; (б) каскада оптических усилителей EDFA (в АОN для восстановления параметров сигнала допускается промежуточное оптоэлектронное преобразование для (а); для (б) реализуются только оптические преобразования

Хронологически первой областью применения технологии DWDM (как и технологии SDH) стало создание сверхдальних высокоскоростных магистралей, имеющих топологию двухточечной цепи (рис. 2.9).

В данной схеме дуплексный обмен между абонентами сети происходит за счет однонаправленной передачи всего набора из 32 оптических волн по двум волокнам. Существует и другой вариант работы сети DWDM, когда для связи узлов сети использу-

45

ется одно волокно. В этом случае дуплексный режим достигается путем двунаправленной передачи оптических сигналов по волокну – половина волн (по 16) частотного плана передают информацию в одном направлении, половина – в обратном.

Рис. 2.9. Сверхдальняя двухточечная связь на основе терминальных мультиплексоров DWDM

На рис. 2.10 приведены гипотетические архитектуры оптических линий связи для систем 32-STM-16 и 8 STM-64, имеющих одну и ту же полную длину 496 км. Как видим, в случае 32 STM-16 связь между двумя регенераторами, перекрывающими полную длину в 496 км, можно построить только на основе 5 линейных оптических усилителей. В случае 8 STM-64 требуется установить еще два промежуточных регенератора (с электронно-оптическим преобразованием) и по два оптических усилителя между ними, вдобавок к этому сокращаются длины сегментов между усилителями EDFA. Причем для варианта (а) применяются только два терминальных регенератора с двумя электронно-оптическими преобразованиями, а для варианта (б) вдвое больше электроннооптических преобразований и соответствующие задержки.

46

а

б

Рис. 2.10. Гипотетические архитектуры мультиплексных оптических линий на основе каналов SDH длиной 496 км: а – система 32 STM-16; б – система 8 STM-64 (общая пропускная способность обоих вариантов систем равна 2,5 Гб/c · 32 = 10Гб/c · 8 = 80 Гб/c)

Естественным развитием топологии двухточечной цепи является цепь с промежуточными подключениями, в которой промежуточные узлы выполняют функции мультиплексоров вводавывода, используя оптические мультиплексоры ввода-вывода

(Optical Add-Drop Multiplexer, OADM (рис. 2.11). O ADM могут вывести из общего оптического сигнала волну определенной длины и ввести туда сигнал этой же длины волны, так что спектр транзитного сигнала не изменится, а соединение будет выполнено с одним из абонентов, подключенных к промежуточному мультиплексору.

Исторически мультиплексоры DWDM были также и мультиплексорами SDH, то есть в каждом из волновых каналов для решения таких задач, как модуляция или кодирование двоичных данных, контроль корректности данных, исправление битовых ошибок, обеспечение отказоустойчивости, оповещение пользователя о состоянии соединения, использовали технику SDH. Однако

47

по прошествии некоторого времени эксплуатации сетей SDH/DWDM стали заметны определенные недостатки, связанные с применением технологии SDH в качестве основной технологии передачи цифровых данных по спектральным каналам DWDM.

Рис. 2.11. Цепь DWDM с вводом-выводом в промежуточных узлах

Недостаточная эффективность кодов FEC (техника коди-

рования, которая позволяет приемнику не только обнаруживать ошибки, но и исправить их, называется прямой коррекцией оши-

бок (Forward Error Correction, FEC), принятых в качестве стандар-

та SDH. Это препятствует дальнейшему повышению плотности спектральных каналов в мультиплексорах DWDM, поскольку при повышении плотности увеличивается кратность ошибок.

Слишком «мелкие» единицы коммутации для магистральных сетей, работающих на скоростях 10 и 40 Гбит/с (а не за горами и 100 Гбит/с). Даже контейнеры максимального размера VC-4 (140 Мбит/с) являются недостаточно крупной единицей для мультиплексоров STM-256, которые должны коммутировать до 256 контейнеров для каждого своего порта. Это обстоятельство усложняет оборудование сети, поэтому желательно наличие единиц коммутации, более соответствующих битовой скорости линий сети.

48

Не учтены особенности трафика различного типа. Разра-

ботчиками технологии SDH принимался во внимание только голосовой трафик.

На преодоление этих недостатков нацелена новая технология

OTN/DWDM оптических транспортных сетей (Optical Transport Network, OTN), которая обеспечивает передачу и мультиплексирование цифровых данных по волновым каналам DWDM более эффективно, чем SDH. В то же время сети OTN обеспечивают обратную совместимость с SDH, так как для оптических мультиплексоров OTN трафик SDH является одним из видов пользовательского трафика наряду с такими клиентами, как Ethernet и GFP (общая процедура инкапсуляции (туннелирования) данных

(Generic Framing Procedure, GFP), предназначенная для упаковки кадров различных протоколов компьютерных сетей в кадр единого формата и передачи его по сети SDH).

Нужно отметить, что технология OTN не заменяет технологии DWDM, а дополняет ее волновые каналы «цифровой оболочкой», уменьшая задержки на разные виды преобразований, в том числе связанные с преобразованиями протоколов, и уменьшая число необходимых оптоэлектронных преобразований.

Архитектура сетей OTN описана в стандарте ITU-T G.872, а наиболее важные технические аспекты работы узла сети OTN – в стандарте G.709.

2.4. МСПИ с временным разделением каналов

Различаются следующие разновидности принципов временного разделения каналов:

а) синхронное временное разделение каналов (СВД, СВУ). Если нет оговорок, то под TDM (мультиплексирование с временным разделением каналов) подразумевают именно СВД;

б) статистическое (динамическое или асинхронное) временное разделение каналов (АВД, АВУ, STDM).

Принцип синхронного временного разделения каналов связи (уплотнения или мультиплексирования) – TDM (Time Division Multiplexing) – приведен на рис. 2.12.

49

Рис. 2.12. Принцип синхронного временного разделения каналов связи

Для СВУ характерно следующее:

– весь ресурс линии связи (пропускная способность или частотный диапазон) предоставляется группе из N источников на время T, так что каждому источнику информации (или каждой паре «источник-получатель») этот ресурс достается на равное время TS = Tв.к = T/N (с);

–обращение к каждому источнику происходит 1 раз за цикл, равный Тц = Т = N·TS;

–при СВД (СВУ, TDM) за каждой парой «И-П» закрепляется определенный тайм-слот или временной канал TS, так что нет необходимости передавать адресную информацию в каждом цикле передачи данных и в течение всей фазы «обмена данными»;

‒ отметим, что выделенный ресурс предоставляется на время TS независимо от наличия или отсутствия информации на выходе источника;

‒ возможность битовой и байтовой коммутации каналов. Как правило, битовая коммутация применяется для высокоскоростного обмена (скорости Е2 и выше), а байтовая для менее скоростно-

го (скорости потоков Е1 = 2,048 мбит/с и ОЦК-Ви = 64 кбит/c);

‒ отсутствие буферной памяти (БП) на выходе источников (или входе мультиплексора). БП на 1 единицу коммутации данных не учитывается. Это обусловлено тем, что производительность каждого из N источников не выше частоты опроса каждого

из них (fо = fгти / N).

50