Управление элементами коммутации в оптической системе с параллельным поиском каналов связи

СИСТЕМЫ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИЙ И СЕТЕВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

УДК 621.395.74

Е. А. Барабанова, И. А. Береснев, И. О. Барабанов

УПРАВЛЕНИЕ ЭЛЕМЕНТАМИ КОММУТАЦИИ В ОПТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЕ С ПАРАЛЛЕЛЬНЫМ ПОИСКОМ КАНАЛОВ СВЯЗИ

Рассматривается полностью оптическая коммутационная система, в которой отсутствует преобразование информационного оптического сигнала в электрический и наоборот. Предложен алгоритм работы оптической коммутационной системы, в которой поиск канала связи для соединения заданного входа с заданным выходом происходит без обращения к внешнему электронному устройству управления. Процесс поиска свободных каналов связи происходит параллельно, для этого используется трехкаскадная схема соединения и алгоритм параллельной обработки информации. Благодаря тому, что поиск происходит внутри самой коммутационной системы, и благодаря параллельности поиска каналов связи алгоритм позволяет уменьшить время коммутации. Коммутационная система строится на базе активных оптических ячеек коммутации, которые настраиваются путем сравнения оптических длин волн в соответствии с разработанным алгоритмом. Предлагаются функциональные схемы оптических ячеек входного, промежуточного и выходного каскадов, которые отличаются от известных наличием, помимо элемента коммутации, элемента настройки.

Ключевые слова: оптическая коммутационная система, ячейка коммутации, коммутационный блок, длина волны, фотодиод, элемент настройки, элемент коммутации.

Введение

Волоконно-оптические линии связи способны передавать информационные потоки со скоростью в несколько десятков и даже сотен Тбит/с. В свою очередь, пропускная способность матриц самых производительных коммутаторов в настоящее время не превышает нескольких сотен Гбит/с. Из этого следует, что узлы коммутации ограничивают пропускную способность оптической сети. Выделяют две технологии построения магистральных коммутаторов: с преобразованием информационного сигнала из оптической формы в электрическую и обратно и полностью оптические коммутаторы. Вторая технология позволяет в разы повысить скорость переключения и является перспективной при построении современных высокоскоростных систем связи [1].

К настоящему времени разработан ряд оптических коммутаторов, использующих в качестве ячеек коммутации активные элементы с волноводными каналами, выполненные из фото-рефрактивного материала [2]; оптические переключатели на основе многослойного диэлектрического селективного зеркала с включением компонента из сегнетоэлектрика, изменяющего под действием внешнего электрического поля коэффициент преломления [3], а также элементы оптической коммутации на основе сегнетоэлектрического слоя вещества и решетки Брэгга [4]. Но данные элементы коммутации не могут быть использованы в полностью оптической системе связи, где отсутствует электронное управление процессом настройки коммутационной системы.

В данном исследовании предлагаются элементы оптической коммутации и алгоритм работы оптической коммутационной системы, позволяющие производить параллельную настройку каналов связи в оптической системе без участия внешнего управляющего устройства.

Алгоритм работы оптической коммутационной системы с параллельным поиском каналов связи

Алгоритм работы коммутационной системы заключается в параллельном поиске свободных оптических волокон, соединяющих коммутационные блоки (КБ) соседних каскадов и свободные ячейки коммутации, не занятые передачей информации [5]. Каждый такт процесса установления

соединений выполняется за два полутакта. В течение первого производится поиск каналов связи через блоки промежуточного каскада к блокам выходного каскада. Во время второго полутакта производится поиск каналов связи к конкретным входам в блоках выходного каскада.

Структура оптической коммутационной системы представлена на рис. 1. Команды коммутации считываются параллельно на входы коммутационной системы, свободные от передачи информации. Команда коммутации представляет собой оптические сигналы двух волн разной длины, отвечающих за номер КБ выходного каскада и номер входа в КБ выходного каскада. Если, например, коммутационная система имеет размерность 64 х 64 и состоит из КБ выходного каскада одинаковой размерности, то таких волн будет 16 (8 - отвечают за номер КБ выходного каскада, другие 8 - за номер входа в КБ выходного каскада).

А/

61  6,\

1 А ?

. ЕА - Е\ 1 2

*Х - SX j IX j И

¡г ;

1 I

w

1.1

N N :з> s п я гч и Ё

* > >

1.2

Ar

2.1

1Z

2.2

3.1

2.R

3.2

З.Х

Wsltll ЕЬ|ЛЕЦ\

11 К К К

ii Ti -I -,1 5

d я •i 5

*ыхкык вихаы* ЕЫЯЕШ

>., л, ... 1, Х5 х

Входной каскад

Промежуточный каскад

Выходной каскад

bj ... I,

Рис. 1. Структура оптической коммутационной системы

Соединение КБ соседних каскадов происходит с использованием оптических волокон разной длины, значение времени распространения сигнала по которым будет различным. Минимальное количество времени, необходимое для преодоления оптическим сигналом расстояния между соседними каскадами, принято за At. Для перехода оптического сигнала с первого входа первого КБ входного каскада на первый вход первого КБ промежуточного каскада необходимо затратить время At. Для перехода оптического сигнала со второго входа первого КБ входного каскада на первый вход второго КБ промежуточного каскада потребуется время равное 2At, т. к. осуществляется переход не только на один уровень вниз, но и на один шаг вправо. Для перехода оптического сигнала с третьего входа первого КБ входного каскада на первый вход третьего КБ промежуточного каскада потребуется время равное 3А^ т. к. осуществляется переход не только на один уровень вниз, но и на два шага вправо. Таким образом, осуществляется параллельный поиск каналов связи и отсутствует наложение оптического сигнала, т. к. сигналы на одни и те же КБ промежуточного каскада приходят в разные моменты времени.

Каждая команда коммутации (Явх1Явх2) через активные ячейки выходного каскада поступает на входы КБ промежуточного каскада. Предварительно во входном каскаде происходит сравнение первых элементов команды коммутации. В промежуточном каскаде производится

сравнение вторых элементов пар и номеров выходов КБ выходного каскада. Номера КБ и входов в КБ выходного каскада поступают на входы КБ входного каскада в виде оптического сигнала волны определенной длины Явых1Явых2 преобразовываются в напряжение во входном каскаде и передаются на промежуточный каскад.

В ячейках КБ входного каскада, в которых произошло сравнение первого элемента команды коммутации, пришедшего с входного блока, и номера, пришедшего из выходного блока, образуется предварительный канал связи. В промежуточном КБ в каждой ячейке производится сравнение второй длины Х2 соответствующей команды коммутации и номера выхода, поступающего из соответствующего КБ выходного каскада. В оптических ячейках, где произошло сравнение и длина волн совпала, фиксируется канал связи. После этого происходит переход ко второму шагу поиска канала связи. На втором шаге задействуются для настройки оптические ячейки следующей диагонали КБ входного каскада. При этом ячейки, в которых зафиксирован канал связи, в поиске не участвуют, по ним передается информация. Процедура поиска происходит аналогично. Алгоритм работы оптической коммутационной системы с параллельным поиском каналов связи представлен на рис. 2.

Рис. 2. Алгоритм работы оптической коммутационной системы с параллельным поиском каналов связи

Так как процесс настройки совмещен с процессом передачи информации, то после окончания передачи информации через активные ячейки коммутации они снова могут участвовать в процессе поиска каналов связи на других шагах настройки.

Функциональная схема оптической ячейки коммутации

Коммутационная система строится на ячейках коммутации, процесс настройки которых происходит под управлением световых волн определенной частоты, без участия внешнего управляющего устройства [6].

Обобщенная структурная схема ячейки коммутации входного и промежуточного каскадов состоит из элемента настройки и элемента коммутации (рис. 3). На вход элемента настройки поступают две волны различной длины: А,вх - со входа коммутационной системы и А,вых - с выхода коммутационной системы, которые попадают на фотодиоды и преобразуются в электрические сигналы в ячейках входного каскада. Электрические сигналы поступают на устройство сравнения напряжений. Если результат сравнения напряжений положительный, т. е. длина волн одинакова, то элемент коммутации остается в состоянии «Включено». В данном состоянии через ячейку коммутации может проходить оптический сигнал. Если результат сравнения является отрицательным, то управляющее напряжение переводит элемент коммутации в состояние «Выключено», и, следовательно, прохождение светового сигнала через него становится невозможным.

Вход Выход

А г X81 ннф 2 1 ЭН Uynp ЭК Л Л * 1 2 ИНФ

Рис. 3. Обобщенная структурная схема ячейки коммутации промежуточного и выходного каскада: ЭН - элемент настройки; ЭК - элемент коммутации

Одним из вариантов реализации элемента коммутации является оптический коммутационный элемент на основе перестраиваемого многослойного диэлектрического зеркала (ПМДЗ) [7]. Схема элемента коммутации, построенного на основе ПМДЗ, представлена на рис. 4.

Вход

Выход

инф

-о О-

иупр

Рис. 4. Схема элемента коммутации

В исходном состоянии все ячейки коммутационной системы находятся во включенном состоянии и пропускают оптический сигнал. В тех ячейках, на входы которых поступили оптические сигналы волн разной длины, происходит изменение значения управляющего напряжения и элемент коммутации на ПМДЗ становится непрозрачным для световой волны, а значит, полезная информация не проходит на выход ячейки. Остальные ячейки остаются активными до следующего такта настройки системы.

Другим вариантом реализации элемента коммутации является волоконно-оптическая решетка Брэгга, которая работает в режиме «открытого ключа» в том случае, когда волны, поступающие с выхода и входа коммутационной системы, имеют одинаковую длину. В противном случае информационная волна отражается от решетки и не проходит через элемент коммутации.

Предложенная схема ячейки коммутации входного каскада представлена на рис. 5.

Рис. 5. Схема ячейки коммутации входного каскада

Для реализации возможности управления элементом коммутации в данной схеме предлагается использовать элементы по преобразованию энергии света в напряжение определенного значения - фотодиоды, а также элементы сравнения напряжений - компараторы. В качестве элемента коммутации предлагается использовать многослойную структуру, показатель преломления которой изменяется при воздействии управляющего напряжения.

Решетка Брэгга, которая входит в структуру ячейки коммутации, служит для разделения волны настройки и информационной волны. Информационная волна отражается от решетки, остальные волны настройки проходят через решетку Брэгга. Две волны настройки, проходя че-

рез преобразователь оптический сигнал - электрический сигнал, в роли которого выступает фотодиод, сравниваются в компараторе напряжения, который управляет работой. В случае равенства напряжений и1вх и и1вых, поступающих на входы компаратора, выходное напряжение будет равно нулю и ячейка коммутации входного каскада будет продолжать оставаться прозрачной для передачи оптического сигнала. Если значения напряжения окажутся разными, то появление напряжения на выходе компаратора изменит состояние элемента коммутации, который переведет ячейку коммутации в состояние «Выключено» и ячейка будет исключена из дальнейшего поиска каналов связи. Компаратор напряжения строится на операционном усилителе без обратной связи, имеющем максимальный коэффициент усиления.

В качестве фотодиодов предлагается использовать лавинные фотодиоды, обладающие быстродействием 10 -10 с, или фотодиоды с барьером Шоттки, скорость срабатывания которых менее 10-11 с.

В ячейке коммутации входного каскада происходит сравнение значений напряжений и1вх и и1вых. Электрические импульсы и2вх и и2вых перенаправляются на ячейки коммутации промежуточного каскада.

Предложенная схема ячейки коммутации промежуточного каскада представлена на рис. 6.

Рис. 6. Схема ячейки коммутации промежуточного каскада

Особенностью предлагаемой схемы является то, что в структуру ячейки входит компаратор, выходное напряжение которого управляет работой элемента коммутации. В случае равенства значений напряжений и2вх и и2вых, поступающих на входы компаратора ячейки коммутации промежуточного каскада, выходное напряжение будет равно нулю и ячейка будет продолжать оставаться прозрачной для передачи оптического сигнала. Если значения напряжения окажутся разными, то появление напряжения на выходе компаратора изменит состояние элемента коммутации, который переведет ячейку коммутации в состояние «Выключено» и ячейка коммутации промежуточного каскада будет исключена из дальнейшего поиска каналов связи.

Таким образом, если результат сравнения в промежуточном каскаде окажется отрицательным, то оптический сигнал настройки не поступит на ячейки коммутации выходного каскада и заданный вход не будет соединен с заданным выходом на текущем шаге настройки.

Предложенная схема ячейки коммутации выходного каскада представлена на рис. 7. Схема содержит только элемент коммутации, который всегда прозрачен для оптического сигнала.

Рис. 7. Схема ячейки коммутации выходного каскада

Из разработанных ячеек коммутации строятся КБ входного, промежуточного и выходного каскадов. На входах КБ входного каскада устанавливаются демультиплексоры, а на выходах КБ выходного каскада - мультиплексоры. Это необходимо для уменьшения числа задействованных оптических волокон.

Так как скорость срабатывания электронной ячейки коммутации ограничена 10-9 с, время переключения быстродействующих фотодиодов достигает 10-11 с, а управляющие сигналы можно подавать с частотой 10-10 с, то можно сделать вывод, что использование оптических ячеек с минимальным набором электронных элементов и отсутствие необходимости обращения к электронному устройству управления в процессе установления соединения позволят повысить скорость коммутации как минимум в 10 раз.

Заключение

Таким образом, в ходе исследования получены следующие результаты: - предложен алгоритм работы оптической коммутационной системы, в которой выбор требуемого выхода происходит без участия внешнего устройства управления, за счет чего время коммутации уменьшается в 10 раз;

- разработана схема трехкаскадной коммутационной системы с использованием оптических волокон разной длины, за счет чего оптические сигналы на одни и те же КБ поступают в разные моменты времени и процесс поиска свободных каналов связи происходит параллельно;

- разработаны схемы ячеек коммутации входного, промежуточного и выходного каскадов, в структуру которых, помимо элементов коммутации, входят элементы управления, позволяющие производить поиск внутри коммутационной системы без обращения к внешнему устройству управления. В качестве элемента управления предложено использовать быстродействующий компаратор на операционном усилителе, позволяющий с минимальными задержками производить сравнение уровней напряжения;

- показано, что для преобразования световой энергии в электрический сигнал наиболее подходящими элементами являются лавинные фотодиоды, а также фотодиоды Шоттки, время переключения которых достигает 10-11 с.

СПИСОК ЛИТЕРА ТУРЫ

1. Маккавеев В. И. Фотонные коммутаторы // Компоненты и технологии. 2006. № 2. С. 142-146.

2. Пат. 2504812С Российская Федерация. МПК G02F 1/315. Способ коммутации N х N оптических каналов и многоканальный коммутатор / Компанец И. Н., Компанец С. И., Неевина Т. А. № 2012110328/28; заявл. 20.03.2012; опубл. 20.10.2013.

3. Пат. 2456648 Российская Федерация. МПК G02F 1/00. Оптический коммутационный элемент на основе многослойного диэлектрического зеркала / Костров С. В., Багманов В. Х., Султанов А. Х.; заявл. 24.03.2011; опубл. 20.07.2012.

4. US patent. № 2003/0133643A1. Optical switch / Hyun Ho Oh, Jong Uk Bu, Don Hee Lee. Pub. Date. Jul. 17. 2003.

5. Барабанов И. О., Мальцева Н. С., Барабанова Е. А. Алгоритм параллельной обработки данных в оптических сетях // Науч. вестн. НГТУ. 2014. Т. 56, № 3. С. 88-95.

6. Барабанов И. О., Мальцева Н. С., Барабанова Е. А. Электронные элементы для коммутационных микросхем с параллельной настройкой // Актуальные проблемы электронного приборостроения: материалы Междунар. науч.-техн. конф. Саратов: СГТУ, 2014. Т. 2. С. 204-211.

7. Султанов А. Х., Багманов В. Х., Костров С. В., Кутлуяров Р. В. Рекуррентные методы минимизации оптических многослойных структур для волоконно-оптических средств связи // Вестн. Уфим. гос. авиац. ун-та. 2009. Т. 13, № 1 (34). С. 193-199.

Статья поступила в редакцию 6.12.2016

ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ

Барабанова Елизавета Александровна - Россия, 414056, Астрахань; Астраханский государственный технический университет; канд. техн. наук, доцент; доцент кафедры связи; ElizavetaAlexB@yandex.ru.

Береснев Илья Александрович — Россия, 414056, Астрахань; Астраханский государственный технический университет; аспирант кафедры связи; gold1290@mail.ru.

Барабанов Игорь Олегович — Россия, 414056, Астрахань; Астраханский государственный технический университет; аспирант кафедры связи; igorussia@list.ru.

E. A. Barabanova, I. A. Beresnev, I. O. Barabanov

SWITCHING ELEMENT CONTROL IN OPTICAL SYSTEM WITH PARALLEL SEARCH OF COMMUNICATION CHANNELS

Abstract. The all-optical switching system is considered. It does not transform the optical information signal into an electrical signal and vice versa. The algorithm of operation of the optical

switching system in which the selection of the desired output takes place without the involvement of an external electronic control device is designed. The algorithm reduces the switching time and does not require an electronic control unit. The process of searching available communication channels is parallel. The three-stage scheme of connection and parallel algorithm processing is used. Due to the fact that the search takes place within the switching system and a parallel search of communication channels the algorithm helps reduce the switching time. The switching system is constructed on the basis of active optical switching cells, which are set by comparing the optical wavelengths according to the developed algorithm. The functional schemes of optical cell input, intermediate and output stages are offered. They differ from the known ones in presence of the configuration element in addition to the switching element.

Key words: optical switching system, switching cell, switching unit, wavelength, photodiode, setting element, switching element.

REFERENCES

1. Makkaveev V. I. Fotonnye kommutatory [Photon switching elements]. Komponenty i tekhnologii, 2006, no. 2, pp. 142-146.

2. Kompanets I. N., Kompanets S. I., Neevina T. A. Sposob kommutatsii N x N opticheskikh kanalov i mnogokanal'nyi kommutator [Method of switching N x N for optical channels and multistage switching element]. Patent RF 2504812S, 20.10.2013.

3. Kostrov S. V., Bagmanov V. Kh., Sultanov A. Kh. Opticheskii kommutatsionnyi element na osnove mnogosloinogo dielektricheskogo zerkala [Optical switching element based on multilayer dielectric mirror]. Patent RF 2456648, 20.07.2012.

4. Hyun Ho Oh, Jong Uk Bu, Don Hee Lee. Optical switch. US patent. No. 2003/0133643A1. Pub. Date. Jul. 17. 2003.

5. Barabanov I. O., Mal'tseva N. S., Barabanova E. A. Algoritm parallel'noi obrabotki dannykh v opticheskikh setiakh [Algorithm of parallel processing of data in optical networks]. Nauchnyi vestnikNovosi-birskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta, 2014, vol. 56, no. 3, pp. 88-95.

6. Barabanov I. O., Mal'tseva N. S., Barabanova E. A. Elektronnye elementy dlia kommutatsionnykh mikroskhem s parallel'noi nastroikoi [Electron elements for commutating microschemes with parallel adjustment]. Aktual'nye problemy elektronnogo priborostroeniia: materialy Mezhdunarodnoi nauchno-tekhnicheskoi konferentsii. Saratov, SGTU, 2014. Vol. 2, pp. 204-211.

The article submitted to the editors 6.12.2016

INFORMATION ABOUT THE AUTHORS

Barabanova Elizaveta Aleksandrovna - Russia, 414056, Astrakhan; Astrakhan State Technical University; Candidate of Technical Sciences; Assistant Professor; Assistant Professor of the Department of Communication; ElizavetaAlexB@yandex.ru.

Beresnev Ilya Aleksandrovich — Russia, 414056, Astrakhan; Astrakhan State Technical University; Postgraduate Student of the Department of Communication; gold1290@mail.ru.

Barabanov Igor Olegovich — Russia, 414056, Astrakhan; Astrakhan State Technical University; Postgraduate Student of the Department of Communication; igorussia@list.ru.