СПОСОБ РЕЗЕРВИРОВАНИЯ В ОПТИЧЕСКОЙ СЕТИ СВЯЗИ С СИСТЕМАМИ СПЕКТРАЛЬНОГО УПЛОТНЕНИЯ
METHOD FOR REDUNDANCY IN AN OPTICAL COMMUNICATION NETWORK WITH WAVELENGTH DIVISION MULTIPLEXING SYSTEMS

Изобретение относится к оптическим системам, а именно к сетям связи, и может быть использовано в существующих и создаваемых оптических сетях связи (ОСС).
Известен способ резервирования информационных потоков (Шмалько А. В. Цифровые сети связи: основы планирования и построения. - М.: ЭКО-ТРЕНДЗ, 2001, с. 186-188), заключающийся в установке резервных оптических волокон на каждое основное оптическое волокно сети связи и передаче оптических сигналов только по основному волокну. В оптическом волокне измеряют уровень оптической мощности и при ее потере формируют управляющий сигнал, по команде которого передача сигнала осуществляется по резервному оптическому волокну.
Недостатком указанного способа резервирования является высокая стоимость его реализации за счет необходимости полного дублирования сетевых элементов.
Известен способ резервирования в ОСС с системами спектрального уплотнения (см. патент US №6046832 от 04.04.2000, МПК 7 Н04В 10/20), при котором из множества колец синхронной волоконно-оптической сети связи выделяют кольцо защиты с двумя и более узлами сети связи, содержащими терминалы спектрального уплотнения. При наличии терминалов спектрального уплотнения на каждом узле кольца защиты устанавливают резервный терминал спектрального уплотнения, оптический маршрутный коммутатор, оптический многопортовый коммутатор. Соединяют выходы основного и резервного терминалов спектрального уплотнения с входами оптического маршрутного коммутатора, выходы которого соединяют с оптическими волокнами, составляющими кольцо защиты. Входы оптического многопортового коммутатора соединяют с выходами мультиплексоров ввода-вывода синхронной волоконно-оптической сети связи. Кроме того, входы резервных терминалов спектрального уплотнения соединяют с выходами оптического многопортового коммутатора.
В процессе работы сети связи в оптических волокнах измеряют уровень оптической мощности и при ее потере формируют управляющий сигнал, по команде которого включают резервные терминалы спектрального уплотнения. Входы резервных терминалов спектрального уплотнения, находящихся на одном узле, соединяют между собой через оптический многопортовый коммутатор. Затем вход оптического маршрутного коммутатора, на который поступает информационный трафик с выхода терминала спектрального уплотнения, коммутируют на резервное оптическое волокно кольца защиты, по которому данный информационный трафик передают на узел сети связи, на котором установлен терминал спектрального уплотнения.
Данный способ резервирования позволяет защитить информационные потоки, передаваемые по линиям спектрального уплотнения, что в целом повышает надежность сети связи.
Недостатком данного способа является то, что на его реализацию требуются высокие материальные затраты. Это обусловлено необходимостью использования дополнительных функциональных устройств и резервных оптических волокон на каждом участке сети связи при реализации данного способа.
m
m
ij
доп
1
2
λ
Λ
λ
доп
доп
λ
Наиболее близким по технической сущности к заявленному изобретению (прототипом) является способ резервирования в синхронной волоконно-оптической сети связи с системами спектрального уплотнения (см. патент РФ №2307469, С1. кл. Н04В 10/00, опубл. 27.09.2007 г.). Известный способ заключается в том, что задают для каждого отрезка оптического кабеля b, где m=1, 2, …, М, а М - общее число отрезков оптического кабеля, объединяющих узлы сети связи, вероятность безотказной работы р и выделяют пары корреспондирующих узлов Z, где i=1, 2,…, N, j=1, 2,…, N, i≠j и задают предельно допустимое значение ранга γ пути между ними, выделяют совокупности U, U, …, U, …, U отрезков оптического кабеля сети связи, где Λ - общее число совокупностей, выход из строя каждой из которых разрывает все пути между корреспондирующими узлами сети связи и суммарный показатель структурной надежности которых Р<Р, где Р - минимально допустимое значение суммарного показателя структурной надежности совокупности отрезков оптического кабеля, причем терминалы спектрального уплотнения и оптические маршрутные коммутаторы устанавливают на узлах, инцидентных отрезкам оптического кабеля сети связи, которые составляют выделенные совокупности, измеряют уровни мощности, проходящей в оптических волокнах, при потере оптической мощности в одном из оптических волокон отрезка оптического кабеля, входящего в одну из выделенных совокупностей U отрезков оптического кабеля сети связи, сформированный управляющий сигнал передают на управляющие входы терминала спектрального уплотнения оптического маршрутного коммутатора и оптического многопортового коммутатора, и по принятым управляющим сигналам включают терминал спектрального уплотнения, коммутируют вход оптического маршрутного коммутатора, на который поступает информационный трафик с мультиплексора ввода-вывода, с выходом, соединенным с входом терминала спектрального уплотнения, выход которого подключен к входу оптического многопортового коммутатора, вход которого затем коммутируют на рабочее оптическое волокно, по которому данный информационный трафик передают на узел связи, на котором установлен терминал спектрального уплотнения.
ij
λ
Недостатком способа-прототипа являются высокие материальные затраты на построение сети связи при сохранении ее надежности. Это объясняется тем, что узлы в сети связи Z являются взаимно корреспондирующими и в случае потере оптической мощности в одном или нескольких оптических волокон отрезков оптического кабеля, входящего или входящих в одну или несколько из выделенных совокупностей U коммутация на другое рабочее волокно может быть затруднена в виду отсутствия подключения к оптическим маршрутным коммутаторам других оптических волокон отрезков оптического кабеля, входящих в независимые маршруты доставки трафика между узлами связи. Кроме того, в случае подключения к оптическим маршрутным коммутаторам других оптических волокон отрезков оптического кабеля коммутация на другое рабочее волокно может быть затруднена в виду передачи на установленных длинах волн трафика между другими корреспондирующими узлами в сети.
Техническим результатом при использовании заявленного способа резервирования в оптической сети связи с системами спектрального уплотнения, является сокращение материальных затрат на построение сети связи при сохранении ее надежности.
ij
ij
с
доп
доп
с
доп
с
доп
Технический результат достигается тем, что в известном способе резервирования связи между корреспондирующими узлами в оптической сети связи, содержащей N>4 узлов, объединенных волоконно-оптическими линиями со спектральным разделением каналов, заключающийся в том, что выделяют пары корреспондирующих узлов Z, где i=1, 2, (,N, j=1, 2, …, N, i≠j, измеряют уровни мощности, приходящей в оптических волокнах, дополнительно предварительно формируют структуру оптической сети связи таким образом, чтобы между каждой парой корреспондирующих узлов Z, было не менее трех независимых маршрутов при минимальном общем расходе длины оптического кабеля. Задают предельно допустимое значение уровня принимаемого оптического сигнала р>р, где р - минимально допустимое значение уровня оптического сигнала, при котором обеспечивается допустимый коэффициент ошибок. Осуществляют мониторинг уровня оптического сигнала в оптических волокнах линий оптической сети связи. В случае снижения или потере оптической мощности в оптических волокнах оптического кабеля р<р, входящего в основной маршрут, осуществляют автоматическое переключение на один из двух оставшихся маршрутов, в волокнах оптических кабелей уровень мощности оптического сигнала которых обеспечивает выполнение условия Р>Р.
Благодаря новой совокупности существенных признаков в способе реализована возможность автоматического переключения на один из двух оставшихся маршрутов доставки трафика между корреспондирующими узлами в оптической сети связи, построенной при минимальном общем расходе оптического кабеля в случае снижения или потере оптической мощности в оптических волокнах оптического кабеля, входящего в основной маршрут, чем и достигается сокращение материальных затрат на построение сети связи при сохранении ее надежности.
Заявленный способ поясняется чертежами, на которых показано: фиг.1 - типовые структуры ОСС: кольцевая и радиально-узловая; фиг.2 - структура ОСС, построенная объединением кольцевой, радиально-узловой структур и отдельного ребра ρ(i -k);
фиг. 3 - кольцевая структура фрагмента ОСС без узлов i и k обеспечивает формирование одного независимого маршрута между каждой парой узлов; фиг. 4 - радиально-узловая структура фрагмента ОСС без узла j обеспечивает формирование двух независимых маршрутов между каждой парой узлов;
фиг. 5 - кольцевая структура фрагмента ОСС без ребра ρ(i - k) обеспечивает формирование двух маршрутов между узлом i и всеми остальными узлами i-j и j - k сформировано по одному маршруту π(i - j) и π(i-k);
1
2
фиг. 6 - фрагмент ОСС обеспечивает формирование двух маршрутов между узлами i и j π (i - k- j) и π (i - (i -1) - j);
1
2
фиг. 7 - фрагмент ОСС обеспечивает формирование двух маршрутов между узлами j и k π(j-i-k) и π(j-(k+i)-k) и одного маршрута между узлами i и k ((i - j -k);
фиг. 8 - структура ОСС, сформированная путем объединения фрагментов сети, представленных на фиг.3…фиг.7;
фиг. 9 - пример структуры ОСС с указанием числа оптических длин волн, которое должно быть реализовано на каждом ее ребре и определенное через число узлов сети N=10;
фиг. 10 - набор фрагментов структуры результирующей ОСС поясняющий суть формирования числа оптических длин волн в каждом из составляющих.
При создании сетей связи различного назначения используют типовые структуры: кольцевую и радиально-узловую (фиг.1) [Гэри М., Джонсон Д. Вычислительные машины и труднорешаемые задачи: Пер. с англ. - М.: Мир, 1982. - 416 с., ил. Адельсон-Вельский Г. М., Диниц Е. А., Карзанов А. В. Потоковые алгоритмы. - М.: Наука, 1975]. Структура оптической сети связи с системами спектрального уплотнения и ее граф G(N, М), представляет собой объединение двух типовых структур кольцевой и радиально-узловой в единую сеть с добавлением отдельного ребра (фиг.2). Отдельное ребро всегда подключают между одними и теми же узлами k, i и входит в состав каждого из двух кольцевых подсетей (фиг.2). Данное ребро играет важную роль в формировании трех независимых маршрутов между любыми двумя узлами и позволяет независимую передачу оптических сигналов по каждому из маршрутов. Указанные три подсети строятся с использованием критерия минимального общего количества оптического кабеля необходимого для их построения  где М - общее число ребер сети. Расчет структуры сети начинается с составления матрицы расстояний |R|, в которой записывают измеренные расстояния между всеми узлами. Если между какими-либо узлами измерения и прокладку линии выполнить невозможно (имеются естественные или искусственные преграды), то длину такой линии в матрице расстояний принимают много больше самой длинной линии. Каждую из подсетей (кольцевая без ребра ρ(k-i) и радиально-узловая) рассчитывают с использованием отдельных оптимальных алгоритмов. Расчет кольцевой структуры выполняют с помощью алгоритма «Коммивояжер» [Гэри М., Джонсон Д. Вычислительные машины и труднорешаемые задачи: Пер. с англ. - М.: Мир, 1982. - 416 с., ил.]. Данный алгоритм относится к классу NP и позволяет выполнять расчет в рамках заданного критерия с определенной точностью, зависящей от его сложности. Радиально-узловую структуру рассчитывают с помощью алгоритма «минимальная медиана графа» [Кристофидиес Н. Теория графов. Алгоритмический подход. М.: Мир, 1978. Ху Т. Целочисленное программирование и потоки в сетях. - М.: Мир, 1974]. Он относится к классу полиномиальных алгоритмов и обеспечивает точный результат за приемлемое время работы компьютера.
Маршрутизацию в ОСС с системами спектрального уплотнения выполняют с помощью разделения сети на отдельные подсети с последующим решением задачи маршрутизации в каждой из них. В конце все подсети складывают, а маршруты суммируют на каждом ребре сети. Поскольку графы предлагаемых сетей (фиг.2) инвариантны (размерность сети разная, а структура одинаковая) то задача маршрутизации для каждой из них имеет однотипное решение, которое отличается только параметром сети N. Это позволяет для сети с произвольным значением N задачу маршрутизации не решать заново, а лишь ее видоизменить с учетом значения N заданного для данной сети. Деление ОСС с системами спектрального уплотнения происходит на две кольцевые части и радиально-узловую часть. Маршруты в каждой из подсетей находят с соблюдением следующего правила: каждый узел связывают со всеми остальными узлами независимыми маршрутами, т.е. в составе каждого маршрута не должно быть общих узлов). В конце фрагменты сети объединяют и определяют суммарное число маршрутов (S) проходящих через каждое ее ребро. Число S не может быть больше величины N(N - 1)/2, что определяют перечислительной задачей, когда каждый элемент множества связан со всеми другими его элементами. Однако с учетом наличия трех независимых маршрутов число S увеличивают в три раза. Первая кольцевая подсеть показана на фиг.3, в которой отсутствует узел у и в ее состав входит ребро ρ(i - k). На фиг.3 изображены два маршрут между узлами i и (k-1) (первый маршрут и второй маршрут). Аналогичным образом формируют два независимых маршрута между любой парой узлов сети. Их общее число определяют как (N-1)(N-2), а суммарное число маршрутов, проходящих на каждом ребре сети, будет вдвое меньше, т.е. (N-1)(N-2)/2. На фиг.4 изображена радиально- узловая подсеть, в которой отсутствуют узлы i и k. Она формирует по одному маршруту между всеми парами узлов ОСС. Маршруты формируют за счет общего узла j и двух отдельных ребер, а между центральным узлом j и всеми другими узлами с помощью одного ребра подключенного к этому узлу. Общее число маршрутов определяют как (N-2)(N-3)/2. Число маршрутов проходящих через каждое ребро подсети равно А - 3. На фиг.5 приведен фрагмент кольцевой части ОСС, в котором исключено ребро ρ(i-k). В этой части сети сформированы два маршрута между узлом j и всеми остальными узлами сети (пример, формирование двух маршрутов между узлами j и r). Число таких маршрутов равно (N-1)×2, а суммарное число маршрутов на каждом ребре в два раза меньше, т.е. (N - 1). Между узлами i, j и j, к формируют по одному маршруту вида π(i - j), π(j - k). По два других маршрута между этими узлами формируют в следующих двух фрагментах сети (фиг.6 и фиг.7) Фрагмент (фиг.6) обеспечивает формирование двух маршрутов между узлами i и j [π(i - k -j); ρ(i - (i - 1) -j)]. Фрагмент (фиг.7) обеспечивает формирование двух маршрутов между узлами j и k [π(j - i - k); π(j-(k+1) - k)] и одного маршрута между узлами i и k π[(i -j - k)], (два других маршрута между этими узлами были сформированы в подсети, фиг.3). Процесс формирования трех независимых маршрутов между всеми парами узлов исходной сети (фиг.3...фиг.7) заканчивают суммированием числа маршрутов всех подсетей на каждом ребре (фиг.8). Это позволяет решить задачу выбора параметров технологии DWDM, состава и числа оптического оборудования на каждом центре коммутации и на подключаемых к нему линиях связи. Независимые маршруты между каждыми двумя центрами коммутации позволяет передавать оптические сигналы без использования оптических преобразователей (трансформеров и трансфлюксоров). В способе резервирования в ОСС с системами спектрального уплотнения это достижимо между всеми парами сети без ограничения ее размерности с использованием лишь оптических мультиплексоров. Причем число оптических длин волн, передаваемых по трем независимым маршрутам можно увеличивать, если не ограничивать емкость оптических кабелей и возможности мультиплексоров. Принцип формирования маршрутов для структуры ОСС остается неизменным при любой ее размерности и разных величинах нагрузки.
h
Задача распределение нагрузки в способе резервирования в ОСС с системами спектрального уплотнения определяют в зависимости от назначения сети, числа ее центров коммутации и других параметров. При распределении нагрузки составляют матрицу нагрузки |Z|, в которой прописывают, какое число оптических длин волн и между какими узлами должно быть установлено (реализовано). Задача распределения нагрузки в теории алгоритмов относится к NP-кассу и может иметь лишь приближенное решение. При ее решении для получения приемлемого результата оно может повторяться несколько раз. В способе резервирования в ОСС с системами спектрального уплотнения, с учетом структуры сети и особенностей формирования маршрутов (фиг.3…фиг.7) величина нагрузки между любыми двумя центрами определяют лишь изменением величины потока между этими центрами по одному из трех независимых маршрутов. Отличительным свойством структуры сети является то, что не требуется каждый раз решать задачу маршрутизации и распределения нагрузки. Задача маршрутизации всегда имеет одно и то же решение, зависящее только от числа узлов сети N, а нагрузка распределяется по трем маршрутам не зависимо от ее величины и способов передачи.
Расчет числа длин волн, образуемых на каждом ребре оптической сети обеспечивающих реализацию заданного трафика. При числе узлов в сети N число маршрутов равно А=[N ((N-1)/2]×3. Суммарное число маршрутов проходящих на каждом ребре сети разное и находят путем сложения подсетей и числа их маршрутов. На фиг.8 показан результат объединения подсетей (фиг.3…фиг.6) и суммарная величина маршрутов на каждом ребре предлагаемой сети
В кольцевой части реализуют два независимых маршрута и один в радиально-узловой. Различия в их формировании заключается в том, что в радиально-узловой части образуют один маршрут (передается одна длина волны), а в кольцевой из двух маршрутов (передают две длины волны). Длины волн всех маршрутов объединяют, что происходит в рамках одного волновода, одного кабеля или кабелей, проложенных на данном ребре сети. Требуемое число длин волн в радиальной части сети, необходимое для формирования матрицы нагрузки |z| при числе узлов N, определяют как D=N(N-1)/2. Соотношение меду требуемым числом волн, числом волокон и выбранной технологией (числом длин волн реализуемых в каждом волокне) следующее D≤L×S, где L - число волокон в оптическом кабеле (кабелях), S - число длин волн реализуемых в каждом оптическом волноводе. В радиально-узловой части сети между любыми двумя узлами проложены отдельные две линии, соединяемые в узле у, которые и обеспечивают формирование третьей длины волны (в качестве примера принято, что между любыми двумя узлами сети реализуется три длины оптического сигнала). Кроме того, увеличивая число длин волн в каждом оптическом волокне этой части сети достигается существенное повышение ее надежности и пропускной способности направлений связи.
Пример расчета параметров ОСС с технологией DWDM при исходных данных: число узлов (центров коммутации) сети N=10; нагрузка в сети - между каждой парой узлов должно быть передано три длины волны оптического сигнала; сигналы по одной длине волны передаются по трем независимым маршрутам.
Требуется определить: маршруты между каждой парой коммутационных центров; распределение потребного числа оптических сигналов (длин волн) проходящих по данным маршрутам; требуемые суммарные емкости сигналов на каждом ребре сети; число оптических волноводов, входящих в состав кабеля, а также разновидность технологии DWDM позволяющей обеспечить требуемое число длин волн на каждом участке сети. Определение маршрутов в сети может быть выполнено с помощью алгоритмов маршрутизации. Однако поскольку граф предлагаемой сети инвариантный и решение маршрутизации найдено (фиг.8), то имеет смысл привести граф сети (фиг.9) с указанием суммарных величин длин волн на каждом ребре сети. Анализ распределения длин волн по ребрам показывает, что оно не равномерное и существенно различается по своей величине (7-минимальное, 46- максимальное). Выбор емкости оптического кабеля (числа его волокон), а также особенностей технологии DWDM определяют с использованием соотношения D≤L (S. Оно показывает, что кабель может содержать лишь один оптический волновод (L) и этого достаточно для построения сети (технология DWDM допускает формирование (S>46)). Возможен вариант, когда L=5, a S>10. Тогда на разных участках сети будет проложен кабель с разным числом волокон. Кроме того, для построения ОСС потребуется иметь по три оптических мультиплексора на каждом центре коммутации (определяется числом направлений связи). При этом в узле 1 число направлений связи равно 9, что потребует в данном центре иметь такое же число оптических мультиплексоров. Таблица маршрутизации в виде набора составных подсетей приведена на фиг.10.
Мониторинг уровня оптического сигнала в оптических волокнах линий ОСС и оценка качества связи может осуществляться различными способами, например, как описано в «Способе мониторинга канала связи и передающее устройство» (см. патент РФ №2460223, С1. кл. H04L 12/56, опубл. 27.08.2012 г. ), при этом каждый раз при выборе нового канала измерения первое передающее устройство и второе передающее устройство последовательно передают множество тестовых сигналов с разной длиной оптической волны в новый канал измерения.
Использование предлагаемого способа обеспечивает формирование не менее трех независимых маршрутов между всеми узлами связи, что существенно повышает надежность ОСС при сокращении материальных затрат на ее построение за счет использования двух других маршрутах если в первом по каким-либо причинам снизился уровень оптического сигнала или пропал вовсе.