Эволюция оптических технологий и средств как основа формирования транспортной платформы NGN

20 декабря 2011 r. 12:01

ТЕХНОЛОГИИ ИНФОРМАЦИОННОГО ОБЩЕСТВА

Эволюция оптических технологий и средств как основа формирования транспортной платформы NGN

Алексеев Е.Б.,

МТУ СИ

Введение

В соответствии с определением МСЭ-Т сети связи последующего поколения, NGN — это сети с коммутацией пакетов, в которых функции коммутации отделены от функций предоставления услуг, причем они позволяют предоставлять широкий ассортимент услуг, добавлять новые, обеспечивают широкополосный доступ и поддерживают требуемое качество обслуживания QoS (1].

Из этого следует, что транспортная платформа NGN должна являться широкополосной мультисервисной сетью, обеспечивающей передачу любых видов трафика на любое расстояние с требуемым качеством передачи. Необходимыми предпосылками для создания такой платформы является постоянное совершенствование технологий и средств электросвязи по направлениям: цифровиэация и опти-ковизоция.

Цифровиэация

Процесс цифровизации сетей — это не только переход от аналоговых систем передачи (ДСП) к цифровым (ЦСП), но это и процесс совершенствования методов и средств передачи сигналов по цифровым каналам и трактам и, как следствие, появление новых телекоммуникационных технологий, поддерживающих эволюцию к NGN через интеграцию трафика услуг и путь от транспортирования каналов к транспортированию пакетов.

Динамика развития в направлении цифровизации, прежде всего, связана с созданием и совершенствованием транспортных технологий плезиохронной (ПЦИ) и синхронной (СЦИ) цифровых иерархий. Причем, если ПЦИ (PDH) была ориентирована на передачу речи (каналы ОЦК), а первые поколения оборудования СЦИ (SDH) на транспортирование информационных структур ПЦИ, то современное оборудование СЦИ позволяет транспортировать в там числе и данные, предварительно размещаемые в ячейках ATM и кадрах Ethernet.

К основным преимуществам транспортной технологии ПЦИ, на базе которой началась широкомасштабная цифровиэация сетей, относятся по сравнению с АСП не только упрощение оборудования группообразования, повышение помехоустойчивости сигнала и возможность оценки качества передачи без перерыва связи, но и более экономичная конвергенция телекоммуникационных и информационных технологий в инфокоммуникоционные. К основному достижению ПЦИ, основанной на принципах временного разделения каналов (TDM), можно отнести возможность транспортирования цифровых сигналов с определенной скоростью передачи практически на любые расстояния при осуществлении их регенерации в промежуточных (регенерационных) пунктах в отличие, например, от технологий транспортирования данных в компьютерных сетях. Бурному процессу цифровизации сетей на основе ПЦИ способствовало и появление новой среды передачи — оптическое волокно. При этом на разных континентах одновременно внедрялись ЦСП американской (на базе ИКМ-24), европейской (на базе ИКМ-30) и японской ПЦИ. На сетях связи России и СНГ была принята европейская иерархия (цифровые потоки El, Е2, ЕЗ, Е4).

Необходимость дальнейшего развития цифровых транспортных сетей в условиях рыночной экономики востребовала создание и внедрение более совершенной транспортной системы (ТС) на базе СЦИ. Сеть но базе СЦИ может быть реализована на основе любой сетевой структуры и включает в общем случае оконечные и транзитные пункты доступа транспортной сети, размещаемые в СУ, и регенерационные пункты, расположенные в СУ или в НРП. Сеть СЦИ в отличие от ПЦИ содержит три топологических независимых слоя: каналов, трактов и секций, и имеет две иерархии информационных структур: синхронные транспортные модули (CTM-N), используемые для соединений в слое секций (аналог группового цифрового тракта в ПЦИ), и виртуальные контейнеры (ВК-п), используемые для соединений в слое трактов (аналог сетевых трактов в ПЦИ). Маршрутизация ВК-п,т осуществляется оперативно, на программном уровне, а контроль качества передачи осуществляется как в CTM-N, так и в ВК-п. Кроме решения выше указанных проблем новая технология была ориентирована на более высокие скорости передачи, а ее ресурсы позволили организовывать наряду с информационной сеть управления на новом качественном уровне и сеть тактовой синхронизации.

Интенсивное увеличение объема трафика передачи данных за последние 10-15 лет и необходимость транспортирования разнородного трафика (речи, донных, видео и т. д) на большие расстояния поставило на повестку дня вопрос о создании и внедрении нового поколения технологии и средств СЦИ (NG SDH). Отличительной особенностью оборудования NG SDH, ориентированного на транспортирование мультисервисного пакетного трафика, является использование специально для этого разработанных процедур [2,3):

— GFP (Generic Framing Procedure) — обобщенная процедура образования цикла, которая представляет собой механизм образования циклов для транспортирования пакетного трафика данных, например Ethernet, в информационных структурах СЦИ;

— VCAT (Virtual Concatenation) — виртуальная сцепка, в отличие от непрерывной сцепки лоп^ески связывает m индивидуальных виртуальных контейнеров типа VC-12 (т=1 ...63), VC-3 (т=1...255) и VC-4 (т=1...255) в одно соединение BK-rvmV, образуя логический канал группы виртуальной сцепки VCG (Virtual Concatenated Group). Каждый из контейнеров, входящих в сцепку, имеет свой трактовый заголовок, обрабатывается раздельно и может иметь отличный от других маршрут в сети СЦИ;

— LCAS (Link Capodty Adjustment Scheme) — схема регулировки пропускной способности линии, в дополнении к VCAT позволяет динамически регулировать пропускную способность (скорость передачи) для виртуального канала сцепки BK-n-mV изменением размера группы VCG, а также может использоваться для образования различных маршрутов для каждого ВК-п, что обеспечивает защиту пакетной передачи при повреждении одного маршрута.

Огттиковиэация

Основные преимущества В ОСП, во многом предопределившие процесс развития цифровизации, также хорошо известны — это увеличение пропускной способности и сокращение числа промежуточных пунктов волоконно-оптической линии передачи. И сегодня, на современном этапе развития, процесс огттиковизации — это не только постоянное совершенствование средств волоконной ОПТИКИ и ол-

T-Comm, #8-2011

то-электронных устройств, это не только массовое внедрение ВОСП на соединительных линиях первичной сети общего пользования, а в будущем и создания оптической транспортной сети, но и реальная возможность олтиковизации сетей доступа и малоканальной сельской первичной сети, что создает предпосылки к созданию широкополосной цифровой сети с интеграцией служб.

Динамика развития и внедрена оптических технологий на сетях связи России может быть разбита на несколько значимых этапов.

Первый аггел связан с появлением в середине 80-х годов многомодовых оптических волокон (Об) с затуханием единицы и десятые доли дБ/км при работе в окнах прозрачности с первого по третий соответственно. Эго позволило при организации городских соединительных линий исключить НРЛ и их дистанционное питание, ток как протяженность учостка регенерации ВОСП перекрывала в большинстве случаев расстояние между д вумя соседними АТС в городе. А приемопередающая аппаратура в промежуточных и оконечных пунктах соединительных линий реализовывалась в унифицированных стоечных конструктивах, предназначенных для размещения в отапливаемых помещенюх ЛАЦ АТС.

Первый этап значим и тем, что появление 06 на сетях связи привело к процессу глобальной их цифровизации во всем мире, и первые поколения ВОСП — это были ЦСП на оптическом кабеле (ОК).

Второй этот в динамике развития ВОСП можно связать с появлением в конце 80-х годов одномсдовых 06 с нулевой, а затем со смещенной дисперсией, параметры которых были определены в Рекомендациях МСЭ-Т G.652 и G.653 соответственно. Это сразу же привело к штурму скоростей передачи. Еще до появления на сетях связи синхронных мультиплексоров появились ВОСП на базе ЦСП ПЦИ с неиерархическими скоростями 565 Мбит/с (Е4х4) и 2,4 Гбиг/с (Е4х 16).

К особенностям одномодовых ОВ по сравнению с многомодовыми относится и то, что предельная длина участка регенерации по скорости передачи цифрового сигнала определялась уже не только параметрами 06, но и параметрами аппаратуры.

Появление в начале 90-х гсдов на рынке средств связи эрбиевых волоконно-оптических усилителей и пассивных компенсаторов дисперсии значительно увеличило предельную длину участка регенерации ВОСП, что позволило в большинстве случаев перекрыть расстояние между двумя соседними сетевыми узлами на ВзЛС и С МП, т.е. исключить НРП не только при проектировании новых, но и при реконструкции существующих линий передачи.

Третий этап динамики развития и внедрения оптических технологий можно связать с появлением в середине 90-х годов ВОСП со спектральным разделением каналов (ВОСП-СР), или многоволновых (многоканальных) ВОСП (технология WDM), востребованных проблемой "нехватки волокон".

ВОСП-СР продемонстрировали новые возможности для операторов связи не только с точки зрения значительного увеличения пропускной способности существующих ВОЛП без существенных дополнительных капитальных затрат, но и сточки зрения более гибкой организации и развития сетей для транспортирования, например, различного вида информационной нагрузки, т. е. мультисервисных сетей (Рекомендации МСЭ-Т G.692 — 698.1).

До недавнего времени на сетях связи России внедрялись, в основном первые поколеню ВОСП-СВ интегрированные с ЦСП СЦИ, и общей для них системой управления. Это позволяло при эксплуатации использовать уже разработанные в рамках создания транспортной сети СЦИ методы и средства контроля и управления. Однако интенсивное развитие принципов построения оптических транспортных сетей и NG-оптических технологий приводит в настоящее время к появлению на рынке средств связи универсальных оптических платформ с возможностью транспортирования по одному

оптическому волокну любых цифровых форматов (ATM, Gigabit Etemet, IP и тд.) наряду с форматом CTM-N (СЦИ). Это вносит существенные коррективы при эксплуатации ВОСП-СР в номенклатуру объектов технической эксплуатации — оптические каналы (ОСН), оптические мультиплексные секции (OMS), оптические секции передачи (OTS) и в принципы контроля за качеством функционирования оптической сети.

Малые габариты и вес ОК с одной стороны и резкое снижение цен на ОВ за последнее время создают дополнительные возможности для увеличения пропускной способности линии передачи за счет применения на сети многоволоконных ОК (технология SDM).

Сегодня ресурс ОК по пропускной способности определяется произведением числа волокон на число оптических каналов и на предельную скорость в каждом канале при данной протяженности участка линии передачи.

Развитие отросли связи в мире ориентировано именно на активное использование современных оптических технологий и проходит псд знаком повышения качества предоставления новых услуг связи и снижен« затрат на пользование эту^ли услугами. Считается, что только новые оптические (фотонные) технологии, обеспечивающие построение широкополосных мультисервисных сетей, способны уменьшить операторские расходы и снизил, абонентскую плату.

Повышение экономической эффективности магистральных ВОСП-СР происходит как на аппаратурном уровне по линии снижения стоимости элементной базы (оптического волокна и кобеля, дискретных элементов — лазеров, фотоприемников, оптических усилителей и тд), так и с помощью технических решений системного характера. К таким решениям можно отнести использование романовского оптического усилен« в рабочем волокне оптического тракта и применение предварительной коррекции ошибок при передаче в линии цифровых сигналов — FEC (forward error correction). Романовское усиление позволяет увеличить длину пассивных (элементарных) кабельных участков между промежуточными оптическими усилителями и тем самым уменьшить колкнество этих усилителей. Применение F ЕС при передаче цифровых сигналов существенно снижает допустимую величину отношения сигнала к шуму при заданном коэффициенте ошибок, что дает возможность значительно увеличить протяженность регенерационных секций (RS) магистральных ВОСП-СР и тем самым уменьшить число регенерационных пунктов или даже совсем обойтись без них. Следует отметить, что регенерационные пункты в значительной степени определяют стоимость всей системы ВОСП-СР. К оптимальным решениям системного характера можно отнести и применение при прокладке кабеля на смежных строительных длинах оптических волокон по Рекомендации МСЭ-Т G.655 с разлжной по знаку и одинаковой по величине крутизной коэффициента хроматической дисперсии. Наряду с использованием кода передачи CRZ (RZ с чирпированием) это позволяет значительно увеличить длину регенерационного участка по дисперсии без применения компенсаторов дисперсии и, следовательно, дополнительного усиления, т. е. без дополнительных затрат.

Практически, совместное использование выше отмеченных технических решений позволяет увеличить длину регенерационного участка магистральной ВОСП-СР до 5000 км.

Характерной особенностью современной аппаратуры ВОСП-СР можно считать также использование в транспондерах передачи программно перестраиваемых подлине волны полупроводниковых лазеров- Это дает возможность комплектована оборудования однотипными серийными транспондерами с программной установкой необходимой длины волны псд соответствующий спектральный канал. Однотипность транспондеров (как и любого элемента) также способствует снижению стоимости всего оборудования

Появление на рынке средств связи новых поколений оптических

10

T-Comm, #8-2011

волокон (ОВ) по рекомендации МСЭ-Т G.652 (тип D) (с отсутствием "водяного” пика в зависимости затухания от длины волны) и МСЭ-Т G.656 (с более слобой зависимостью хроматической дисперсии от длины волны) позволяет сегодня при проектировании ВОСП-СР использовать расширение рабочею диапазона длин волн для увеличения объема передаваемого трафика.

Постоянное совершенствование технологических решений и элементной базы WDM уже сегодня создает предпосылки для рентабельного их применения в условиях рынка и для проектирования и строительство новых линий с учетом затрат на линейно-кабельные сооружения. На сетях доступа это связано с возможностью применен« более дешевых технологий CWDM и компонентов оптических сетей доступа.

Эффективное применение технологий WDM на магистральных сетях и сетях доступа связано с оптимальней выбором варианта применен« и сочетанием разл«ных возможностей ВОСП-СР в зависимости от назначен«, условий внедрен« и перспективы развития.

В результате постоянного развит« и совершенствован« оптических технологий появляются новые типы сетевых элементов оптических систем передачи, использование которых позволяет операторам связи увеличивать технико-экономический потенциал своих WDM сетей.

Появившиеся в последнее время тенденции в снижении стоимости перестраиваемых лазеров предоставили производителям возможность их использования в оптических транспондерах и перестраиваемых оптических мультиплексорах ввода-вывода (ROADM-Reconfigurable Optical Add-Drop Mulhplexers). Ожидое-мое использование ROADM в оптических WDM сетях позволит операторам связи посредством систем управления осуществлять управление вводимыми и выводимыми каналами на любом оптическом сетевом узле. Как отмечается во многих публикациях, наличие такого сетевого элемента особенно экономически эффективно при реконфигурации уже действующих WDM сетей, поскольку ROADM обеспечивает возможность в нужном месте и в определенное время увеличить пропускную способность WDM сети в режиме без перерыва связи [5,6].

Основное преимущество сети связи, использующей оборудование ROADM состоит в том, что при подключении к сети нового пользователя реконфигурироваться будет только та часть сети по которой потребителю будут предоставляться услуги СВЯЗИ. При этом, после установки оконечного абонентского оборудован«, администратор WDM сети по специальной программе производит удаленное переконфигурировоние (ввод и вывод новых каналов в RCADM) и пользователь подключен к сети.

Оптическая коммутация или лямбдо-коммутац«, или коммуто-ц« оптических каналов используются не только в RCADM, выполняющих функцию ответвлен« управляемой по объему чости трафика, но и в оптических кроссконекторах, осуществляющих функцию коммутации (маршрутизации) на уровне соединений по оптическим каналам Это позволяет при построении оптических сетей использовать все преимущества, достигнутые в современных транспортных сетях СЦИ, от управляемых операций в мультиплексорах в вода-вывода и кроссконнекторах на уровне соединений по виртуальным контейнерам до передачи пакетного трафика с применением технологии MPIS (IP over SDH). Практически имеет место в ностоящее время миграция от IP over SDH к IP over DWDM, основанной уже на оп-тжеской коммутации блоков (Optical Burst Switching — OBS) с применением технологии MPLS [7].

Появление новых оптических технологий и средств и постоянное их совершенствование создает предпосылки для создан« сетей следующего поколения на чисто оптическом транспортном уровне, или как еще называют в литературе — фотонных сетей, что можно

связать с четвертым этапом динамики развит« и перспективами внедрения ВОСП.

Сущность фотонизации заключается в том, что на физическом уровне во всех звеньях цепи передачи исключается преобразование типа фотон-электрон и электрон-фотон. Это доет возможность на несколько порядков увеличить скорость передачи сигнала, значительно увеличить протяженность участка линии передачи между соседними промежуточными пунктами благодаря уменьшению шумов за счет тепловой компоненты, а также существенно повысить технико-экономические показатели оборудован« и его надежность в результате исключения электронно-оптических преобразователей.

Для реализации транспортной системы, которая выполняет функции оптической кроссконнекции (кроссовых соединений, оперативного переключен«) и оптического мультиплексирования ввода-вывода, предлагается ряд технологий. Особый интерес представляет собой сеть, в которой применяется маршрутизац« по длине волны, многократное использование длин волн, пакетное переключение с многократными пересылками сигнала. В этом случае оптический транспортный узел может состоять из оптического кросс-коннектора и оптического мультиплексора ввсда/вывода Каждая станция доступа в оптической транспортной сети (OTN) преобразует сигналы, полученные от пользователей, в соответствующий оптический формат и передает эти сигналы на транспортный узел.

Сегодня разработан целый пакет рекомендаций МСЭ-Т (G.671,709,7715,798,8080,8251,871 - 875,959.1) по архитектуре, управлению и характеристикам оборудован« и компонентов опт«еской транспортной сети, во многом основанной на принципах построен« транспортной системы СЦИ, но на чисто оптическом уровне.

Создание и совершенствование оптических волокон различного назначен«, компенсаторов дисперсии, оптических усилителей, технологий и средств спектрального разделения (DWDM и CWDM), оптических разветвителей и коммутаторов, оптических регенераторов и кроссконекторов, технологии многопротокольной коммутации по длинам волн (MP?S), а также технологии и средств OTDM, позволяет создать оптическую транспортную сеть с колоссальной пропускной способностью (сотни и тысячи Тбит/с), с возможностью передачи на большие расстояния (сотни и тысячи км) огромного ассортимента (десятки и сотни видов) различного вида информационной нагрузки [8].

Другими словами, набирающий силу процесс фотонизации сетей позволит в будущем осуществлять между любой парой абонентов соединение по любому набору инфокоммуникационных услуг на основе прозрачного оптического канала, т. е. создать глобальную оптическую транспортную систему (или систему доступа) - как универсальную платформу транспорта и доступа сетей связи последующего поколен«, NGN.

Литература

1 Мардер Н.С Некоторые подводные камт регуте^ювания сетей NGN // Вестник связи. 2005. - N510.

2 Агаев ГР., Елсххий ДВ., Огорсдомэв АЮ. Транспортные мульти-сервисмые сети; технологии и оборудование // ТСС 2004. — №1.

3 фаиау» Ю.С Amaparypo SDH нового гхжоле*« // ТСС 2005 №2.

4 He«ecBAOa«»*erpHrtiHrb»GMPlS// Вестник связи 2005,— N*2.

5 Алексеев ЕБ, Самсрцев ИЗ. Особенности и перспективы применения RQADM на сетях связи операторов // Вест»*« связи, 2007. — №9.

6 йэбжоон С Мультиплексоры RQADM третьего поколе**«. Гарантия успеха сетевых операторов // lightwave Russian Edüon, 2006. — hP2.

7 Голышюэ АД, Леоаэеа НА Оптическая коммутация блоков // Сети и системы связи, 2001. — №8.

8 Алексеев ЕБ. Перспективы развития оптического трснспорта и доступа // Вестник связи, 2008. - №9.

T-Comm, #8-2011

11