Основы технологии DWDM

Введение в технологию DWDM

С термином «DWDM» сегодня связан обширный круг технологий, решений и стандартов в области связи и передачи данных. Постоянно появляющиеся типы сервисов и новые пользовательские приложения создают все большую нагрузку на магистральную транспортную сеть. Это значит, что для транспортировки высокоскоростного трафика требуется технология передачи данных, которая, с одной стороны, обладает достаточной производительностью, с другой предоставляет оператору возможности масштабирования сети без изменения инфраструктуры. Этим требованиям удовлетворяет технология спектрального мультиплексирования (WDM –Wavelength Division Multiplexing), которая уже почти 30 лет является основной технологией построения магистральных волоконно-оптических сетей связи.

Первые WDM-системы были двухканальными с передачей на длинах волн 1310 и 1550 нм. Несколько позже появились многоканальные решения: CWDM (Сoarse Wavelength Division Multiplexing – грубое спектральное уплотнение) и DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing – плотное спектральное уплотнение), где названия говорят о плотности расположения информационных каналов в оптическом спектре.

DWDM – технология плотного спектрального мультиплексирования. Оптические каналы располагаются в диапазоне от 1530 до 1565 нм с шагом 0,4 нм (50 ГГц) или 0,8 нм (100 ГГц). Современные решения также допускают перестраиваемый шаг с улучшенной гранулярностью. Использование большого числа несущих с минимальным шагом между ними позволяет передавать по паре оптических волокон (приемпередача) до 96 каналов. Сближение оптических каналов позволяет существенно увеличить емкость WDM-системы.

CWDM – технология грубого спектрального уплотнения, обеспечивающая передачу в широком диапазоне от 1260 до 1625 нм до 18 оптических каналов с шагом 20 нм между ними. CWDM-система не предполагает наличия в линии оптических усилителей, так как большинство каналов не входит в рабочий диапазон длин волн эрбиевого усилителя, а значит, максимальная длина регенерационного участка ограничена параметрами трансиверов и физическими свойствами волокна. Однако благодаря большему межканальному расстоянию снижаются требования к конструкции приемопередающих модулей (трансиверов) и пассивной оптики, в частности мультиплексоров. Как следствие, и стоимость CWDM-решений меньше по сравнению с DWDM.

Таким образом, применение технологии грубого спектрального уплотнения целесообразно там, где требуется недорогое решение с небольшим расстоянием между абонентами, необходимая пропускная способность не превышает 10 Гбит/с на канал, а масштабирование системы в сторону существенного увеличения числа несущих не предусмотрено.

Мощный толчок развитию DWDM-систем дало появление эрбиевых усилителей (EDFA) в начале 1990-х гг. Эрбиевый усилитель позволяет равномерно усилить информационные каналы на разных длинах волн как раз в том спектральном диапазоне оптического волокна, где затухание сигнала минимально (C-диапазон, 1530 - 1565 нм). Таким образом, появление эрбиевых усилителей открыло возможность построения многоканальных систем, обеспечивающих передачу данных на протяженные расстояния без электрической регенерации сигнала.

Технология передачи DWDM создает базис для организации гибких высокоскоростных интеллектуальных сетей, обеспечивая прозрачную передачу постоянно растущего трафика, в том числе чувствительного к задержкам. Технология поддерживает скорости от 150 Мбит/с до 400 Гбит/с на одну длину волны. У ряда вендоров в активной разработке находятся 600-гигабитные решения.

DWDM может применяться не только для организации магистральных систем связи между крупными населенными пунктами, но и в городских оптических сетях.

Еще один тренд развития DWDM-систем задают крупнейшие центры обработки данных, которые подталкивают разработчиков и производителей оборудования вырабатывать новые технические решения для увеличения емкости существующих систем передачи по оптическим волокнам, что для операторов обозначает удешевление в пересчете на бит/с. Новое направление, где в скором времени технология окажется востребованной, – агрегация и прозрачная передача трафика, критичного к задержкам. Так, транспортное ядро развивающихся сетей 5G будет, несомненно, построено по принципу DWDM.


Основные компоненты DWDM-системы

Транспондеры/мукспондеры

Адаптация клиентских сигналов к сетям DWDM может быть проведена с помощью блоков транспондеров и мукспондеров (агрегирующих транспондеров). Эти блоки применяются для преобразования несущей длины волны сигнала, поступающего от клиентского оборудования, к установленному частотному плану WDM, оптического сигнала, приходящего из линии, – к несущей длине волны клиентского оборудования, то есть совмещают в себе как передающую, так и приемную часть.

Рассмотрим более подробно функционал транспондеров и мукспондеров в общем виде, а далее поясним разницу между ними. Оба устройства осуществляют передачу линейного сигнала на нужной длине волны в рамках выбранного формата спектрального уплотнения. Компоненты в составе передающей части (лазеры и модуляторы), а также алгоритмы упреждающей коррекции ошибок (FEC – Forward Error Correction) обеспечивают достаточную его устойчивость к шумам и искажениям. Использование в блоках транспондеров/ мукспондеров современных форматов модуляции позволяет обеспечивать высокую пропускную способность сети. С другой стороны, приемо-передающие модули обеспечивают прозрачное преобразование различных клиентских интерфейсов в линейный с возможностями мониторинга и контроля ошибок.

Расширяют функционал транспондеров и мукспондеров за счет поддержки решений операторского класса: принимаются меры по увеличению надежности, времени непрерывной работы, снижению времени перезапуска; обеспечивается удаленный мониторинг. Современные модули могут поддерживать программно-управляемую архитектуру сети SDN (Software Defined Network). Транспондер имеет число выходных портов, равное числу клиентских. В зависимости от реализации, он может обладать функцией внутренней коммутации или жестко связывать входные и выходные порты друг с другом попарно.

В случае применения технологии OTN (Optical Transport Network), работающей в связке с DWDM и обеспечивающей перенос разнородного трафика на оптический уровень, задача устройства сводится к инкапсуляции клиентского сигнала в кадры низкого порядка ODU (Optical Data Unit), добавлению заголовка для процедуры коррекции ошибок FEC и формированию выходного цифрового кадра. Такая процедура называется отображением, а выходной цифровой кадр, модулирующий оптическую несущую, – OTU (Optical Transport Unit).

idea 1-100

SD-FEC является алгоритмом кодирования третьего поколения, обеспечивающим передачу данных для оптических сетей 100G на большие расстояния и с большими ретрансляционными участками.

В отличие от транспондера, мукспондер не просто преобразует клиентский сигнал в формат кадра OTN, но и выполняет функции цифрового мультиплексирования. Так же, как и в транспондере, на первом этапе данные клиента размещаются в кадры низкого порядка (в OTN их часто называют Tributary ODU). Мультиплексор OTN синхронно мультиплексирует ODU низкого порядка в ODU высокого порядка (Line ODU).

По групповому кадру рассчитывается контрольная сумма, и на выходе мультиплексора формируется только один линейный кадр OTU. Соответственно, мукспондер формирует один оптический канал. Длина волны излучения, как правило, перестраивается в рабочем диапазоне.

На стороне приема сигналы, поступающие на вход транспондера, детектируются и восстанавливаются цифровым фотоприемником. В случае реализованной процедуры коррекции ошибок FEC соответствующие блоки обнаруживают и устраняют ошибки, возникающие в процессе распространения сигнала по линии связи.

Основные компоненты DWDM-системы:

  • транспондеры/мукспондеры, формирующие сигналы на разных длинах волн;
  • мультиплексоры, объединяющие сигналы из разных волокон на разных длинах волн в одном волокне, и демультиплексоры, разделяющие несколько сигналов на разных длинах волн из одного волокна по разным волокнам;
  • усилители, усиливающие многоканальный сигнал при его передаче по оптическому волокну.

Очевидно, что применение мукспондеров позволяет эффективнее использовать пропускную способность линии связи, так как экономит порты на оптических DWDM-мультиплексорах. Вторым преимуществом устройств является экономия вычислительного ресурса системы, так как контрольная сумма FEC (Forward Error Correction) рассчитывается не для каждого клиента, а для всего кадра OTU.

idea 2-100

Существует множество FEC-алгоритмов кодирования, которые различаются по сложности и производительности. Одним из наиболее распространенных кодов первого поколения FEC является код «Рида – Соломона» (255, 239).

Оптические мультиплексоры

Мультиплексоры делятся по возможности изменения канального плана и по количеству каналов. В первой классификации можно выделить 2 группы: фиксированные, когда каждый оптический канал направляется в заранее жестко заданное волокно, и перестраиваемые ROADM (Reconfigurable Optical Add-Drop Multiplexer) – в них можно программно изменять распределение каналов по волокнам. По количеству каналов выделяют терминальные (многоканальные), где число каналов N = 40 - 96 и мультиплексоры ввода-вывода OADM (Optical Add-Drop Multiplexer) с количеством вводимых/выводимых каналов от 1 до 16.

Все транспондеры (мукспондеры) подключаются к оптическому терминальному мультиплексору – пассивному устройству, позволяющему объединять сформированные ранее оптические каналы в одно оптическое волокно. На приемной стороне происходит демультиплексирование оптического сигнала – операция, обратная процедуре мультиплексирования. Именно мультиплексоры/демультиплексоры являются WDM-устройствами в чистом виде, так как их параметры и определяют частотный план системы связи: плотность расположения каналов, их количество, полосу пропускания по каждому каналу.

Фиксированные многоканальные мультиплексоры изготавливаются на основе AWG-решеток (Array Waveguide Grating), а малоканальные могут быть реализованы в виде набора тонкопленочных TFFфильтров (Thin Film Filter). Потери на канал в мультиплексорах на основе AWG-решеток не зависят от числа каналов и составляют примерно 5 дБ.

Для малоканальных мультиплексоров потери определяются числом последовательно включенных фильтров (обычно число каналов N = 2^m, где m = 1 – 4 –количество последовательно включенных фильтров) и составляют от 1,5 до 6 дБ. Ограничение на количество каналов (8 – 16) малоканальных мультиплексоров вызвано тем, что потери в каскаде фильтров сравниваются с потерями в AWG-решетке многоканального мультиплексора.

Для формирования равномерного группового сигнала устройства могут содержать в своем составе управляемые оптические аттенюаторы для каждого мультиплексируемого канала. Кроме того, они могут быть оборудованы измерителями канальной мощности для удаленного мониторинга спектра каналов, а также мониторным разъемом для подключения измерительного оборудования без разрыва оптической линии.

Реконфигурируемые оптические мультиплексоры ввода-вывода ROADM

Отдельного рассмотрения требует группа программно-реконфигурируемых мультиплексоров ввода-вывода. Если фиксированные мультиплексоры (OADM) жестко определяют маршруты каналов, то гибкость и масштабируемость системы может быть обеспечена с помощью реконфигурируемого мультиплексора – ROADM (Reconfigurable Optical Add/Drop Multiplexer), который программно изменяет распределение каналов по волокнам (рисунок 2).

cover 3_idea 3_idea 2

Благодаря технологии селективного переключения спектральных каналов (WSS) ROADM обеспечивает гибкое управление спектральными каналами и позволяет строить смешанные сети любой топологии. Узел ROADM может переключать спектральный канал на ввод/вывод и сквозную передачу без прерывания трафика.

Число WSS-матриц (Wavelength Selective Switch), основных компонентов ROADM, определяет функциональность мультиплексора ввода-вывода и число доступных направлений. Матрица WSS направляет пришедшую на входной порт длину волны на любой из N выходов. С появлением прецизионных технологий на фотонном уровне появилась возможность более эффективного использования спектрального ресурса за счет высокой гранулярности WSS-устройств.

Передача сигнала по линии. Оптическое волокно. Оптический усилитель

Передача сформированного группового оптического сигнала осуществляется по специальным оптических волокнам. Для большинства систем, использующих технологию DWDM, оптимальными считаются стандартные одномодовые волокна (SSMF – Standard Single Mode Fiber), параметры которых определяются рекомендацией МСЭ G.652.

Специально для использования в протяженных DWDM-системах было разработано волокно с сердцевиной из чистого кварца (PSCF – Pure Silica Core Fiber, рекомендация G.654D). Типовое применение таких волокон – подводные линии связи.

Для систем с большим количеством каналов могут использоваться волокна с увеличенной площадью моды (SLA). В таких волокнах уменьшаются нелинейные искажения и увеличивается допустимая мощность сигнала, что в конечном счете ведет к увеличению дальности безрегенерационной передачи сигналов в волоконно-оптической линии связи. Для облегчения монтажа и прокладки может использоваться волокно с пониженной чувствительностью к изгибным потерям, оно описывается рекомендацией G.657.

Оптическое волокно является источником затухания, а значит, на линии необходимо размещать специальные устройства – оптические усилители, восстанавливающие уровень оптического излучения, увеличивая тем самым дальность передачи. Типичное расстояние между узлами усиления – от 60 до 100 км, оно оптимизируется для каждой проектируемой линии.

Для оптических систем связи применяют усилители, в основе которых могут быть различные физические процессы. Наиболее популярными являются усилители на основе волокна, легированного ионами эрбия EDFA (Erbium Doped Fiber Amplifier).

Такие устройства эффективно усиливают сигналы в С-диапазоне, спектральной области наименьшего поглощения кварцевого стекла 1535…1565 нм. Структура простейшего однокаскадного усилителя приведена на рисунке 3. Оптическая накачка может происходить попутным или встречным образом одним или несколькими лазерами, излучающими на длинах волн 980 или 1480 нм. Ионы эрбия поглощают энергию накачки, переходя в возбужденное состояние. При взаимодействии с сигнальным излучением на длине волны 1550 нм происходит переход возбужденного иона эрбия в основное состояние, сопровождающийся излучением единичного фотона на длине волны 1550 нм.

К значимым параметрам оптического волокна относят коэффициент затухания, коэффициент дисперсии, коэффициент нелинейности.

В современных многоканальных протяженных DWDM-системах применение однокаскадных усилителей неэффективно. Как правило, используются многокаскадные схемы, обеспечивающие настройку требуемого коэффициента усиления за счет управления встроенным аттенюатором в VGA-устройствах (Variable Gain Amplifier), выравнивание спектра группового сигнала с помощью сглаживающих оптических фильтров GFF (Gain Flattening Filter).

Кроме EDFA-усилителей в технике связи могут использоваться волоконные усилители, использующие рамановское рассеяние. Усилители, основанные на эффекте Рамана, могут быть сосредоточенными и распределенными. Если сосредоточенные сходны по своим эксплуатационным свойствам с EDFA-устройствами, то использование распределенных усилителей требует повышенных мер безопасности из-за высоких мощностей лазера накачки и хороших параметров волоконно-оптической линии.

Усилители Рамана незаменимы на больших пролетах (более 150 км), где нет возможности организации большого числа промежуточных усилительных пунктов.

В ранней классификации оптических усилителей выделялись следующие группы по функциональному назначению: усилители мощности или бустеры, устанавливающиеся сразу после оптического мультиплексора; линейные усилители в промежуточных точках протяженных линий связи; предварительные усилители на входе демультиплексора для достижения оптимального уровня сигнала на входе оптических приемников. Однако в последнее время производители DWDM-систем уходят от подобного разделения, а параметры усилителя подбираются непосредственно под проектируемую линию с учетом неидеальности амплитудно-частотной характеристики всех активных и пассивных компонентов системы.

cover 3_idea 3_idea 2

Комбинационное рассеяние света (эффект Рамана) — неупругое рассеяние оптического излучения на молекулах вещества (твердого, жидкого или газообразного), сопровождающееся заметным изменением частоты излучения.


Причины возникновения ошибок в системах DWDM при приеме оптического сигнала

Прежде чем рассматривать методы увеличения производительности DWDMсистемы и модернизации оптических транспортных сетей в целом, рассмотрим несколько причин возникновения ошибок на приеме. Шумы приемника (или систематические ошибки при его перегрузке) возникают при неоптимальном уровне оптической мощности на входе транспондера.

Хроматическая дисперсия, уширяя оптические импульсы, уменьшает экстинкцию и затрудняет их прием. Шумы усиленного спонтанного излучения ASE (Amplified Spontaneous Emission) накапливаются при прохождении групповым сигналом цепочки оптических усилителей.

В линиях, не содержащих оптических усилителей, как правило, основными причинами ошибок являются дисперсия, шумы и перегрузка на приеме. Внедрение оптических усилителей сводит указанные проблемы из фундаментальных в инженерные: перед подачей сигнала на приемник его усиливают до оптимального уровня (вдали от границ чувствительности и перегрузки). Для компенсации дисперсии линия оборудуется специальными устройствами – компенсаторами, восстанавливающими длительность импульсов перед подачей сигнала на вход приемной части транспондера.

Платой за преодоление первых двух причин возникновения ошибок является внесение шума ASE и нелинейных искажений. Последнее обусловлено иным характером работы линии. Теперь в пределах регенерационной секции существуют несколько (иногда – несколько десятков) усилительных секций, причем в начале каждой из них, где интенсивность оптического сигнала достаточно велика, сигнал подвергается действию нелинейных эффектов.

Обусловленное экономическими причинами желание более эффективно использовать спектр усилителя и минимизировать число усилителей в линии приводит к появлению спектра плотно расположенных каналов большой мощности, что и приводит к развитию внутриканальных и межканальных нелинейных эффектов.

Транспондеры и мукспондеры, проектируемые для работы в сетях, не содержащих оптических усилителей (как правило, CWDM), оптимизируют, улучшая чувствительность и устойчивость к дисперсии. Для DWDMрешений это неактуально – там требуется каналообразующее оборудование, устойчивое к влиянию шума ASE и нелинейным искажениям сигнала. Можно определить граничные допустимые значения параметров, описывающих входной оптический сигнал, как значения, дающие на выходе требуемый коэффициент ошибок при оптимальных остальных параметрах.

Количество ошибок в битовом потоке данных характеризуют величиной BER (Bit Error Rate), равной отношению ошибочно переданных бит к общему количеству переданных бит. Заказчик системы связи оговаривает максимально допустимое значение BER, которое обычно находится на уровне 10 -10...-12.

Для CWDM-оборудования так определяется чувствительность приемника (минимально допустимое значение мощности на оптическом приемнике, при котором неискаженный оптический сигнал принимается с величиной ошибок не выше некоего заданного значения) и штрафы по дисперсии. Для DWDM-оборудования основной характеристикой является устойчивость к влиянию шума ASE. Величина шума ASE описывается параметром OSNR (Optical Signal-to-Noise Ratio), а каждый DWDM-транспондер/мукспондер – значением требуемого. Требуемый OSNR – есть минимально допустимое значение OSNR, при котором еще возможен прием сигнала в пределах требуемого заказчиком BER.

cover 3_idea 3_idea 2

Для того чтобы при передаче сигнала сохранялось его приемлемое качество (соотношение сигнал/шум (SNRT – signal-to-noise ratio)) было не ниже определенного значения, необходимо, чтобы полоса пропускания волокна на длине волны передачи превосходила частоту модуляции.


Методы увеличения производительности DWDM-систем

Определим понятие «производительность системы связи» как произведение полной скорости передачи системы связи C на дальность передачи L. Под дальностью в магистральных системах подразумевается дальность передачи в многопролетной линии с промежуточными усилителями без регенерации сигнала. Очевидно, производительность DWDM-системы можно наращивать двумя способами: с одной стороны, увеличивая скорость передачи системы связи, с другой – добиваясь увеличения предельной дальности передачи.

Увеличение скорости передачи данных в системе

Скорость передачи данных в системе с одинаковыми каналами определяется произведением количества каналов на скорость в каждом канале. Скорость в канале определяется двумя факторами: символьной скоростью и символьной эффективностью, рисунок 4.

Скорость передачи данных системы связи (суммарная битовая скорость V, бит/с = бод) складывается из скоростей передачи данных в каждом канале (для системы с одинаковыми каналами это произведение количества каналов NCH на скорость VB [бит/с] в каждом канале). Максимальное количество каналов в одной паре волокон задано текущим стандартом спектрального уплотнения (например, CWDM, DWDM 100GHz C, DWDM 50GHz C+L). Битовая скорость канала VB является произведением символьной скорости VS (символов/с) на символьную эффективность используемого формата модуляции ES (бит/символ). Другими словами, параметр ES определяет количество информации (число бит данных), переносимой одним символом, и выражается логарифмом по основанию 2 от мощности алгоритма (числа значений, которые может принимать символ).

Количество каналов ограничено доступным спектральным диапазоном (при использовании типовых усилителей EDFA – примерно 1530 – 1565 нм, что соответствует 48 каналам по 50 ГГц или 96 каналам по 50 ГГц; при использовании технологий гибкого спектра – FlexGrid – количество каналов может быть и другим).

idea 1-100

Спектральная эффективность системы связи представляет собой отношение скорости передачи информации (бит/с) к ширине полосы пропускания (Гц) и измеряется в показателе (бит/с/Гц). Спектральная эффективность характеризует, насколько эффективно в произвольной системе связи используется полоса частот.

1) Рост символьной скорости

Увеличение символьной скорости VS фактически означает увеличение частоты работы модулятора передатчика. Предельные значения символьной скорости электрического сигнала определяются свойствами материалов, высокочастотной электроники, модуляторов. Доступное значение с точки зрения реализации на стандартной элементной базе находится на уровне 32 Гбод, оно достигнуто в системах 100G. Скорость 45 Гбод используется в наиболее современных процессорах 2×200G. Значения 64 Гбод находятся на этапе лабораторных испытаний. По мере совершенствования компонентной базы возможен дальнейший незначительный рост данного параметра, однако существенных скачков по данному направлению ожидать не стоит.

2) Многоуровневые форматы модуляции

Исторически первыми появились амплитудные форматы модуляции оптического излучения в модификациях NRZ (NonReturn-to-Zero) и RZ (Return-to-Zero), где код RZ более устойчив к нелинейным искажениям в волокне. Они обеспечивали скорости передачи данных до 10 Гбит/с. Использование амплитудного формата модуляции оказалось затруднительным при скоростях больше 40 Гбит/с, так как ширина оптического спектра становится сравнимой с межканальным интервалом DWDM-систем. Этот факт, а также неустойчивость амплитудно-модулированных сигналов к нелинейным искажениям привели к переходу на фазовые форматы модуляции, где информацию несет в себе фаза оптического сигнала или разница фаз соседних символов (вследствие неопределенности фазы пришедшего символа часто требуется именно дифференциальное кодирование).

cover 3_idea 3_idea 3_idea 2

При амплитудной модуляции изменяемым параметром является мощность оптического излучения передатчика.

В современных решениях используются одновременно все степени свободы сигнала: амплитуда, фаза и поляризация светового излучения. Наиболее распространенным форматом для 100-гигабитных систем на сегодняшний день является DP-QPSK (Dual Binary Quadrature Shift Keying), где информация кодируется двумя состояниями поляризации и четырьмя значениями фаз (рисунок 5).

На рисунке 6 схематично представлен процесс формирования сигнала в формате DPQPSK. Непрерывное излучение несущего лазера разделяется на две ортогональные поляризации, каждая из которых подается на квадратурные модуляторы и модулируется информационным сигналом с битовой скоростью, большей, чем 25 Гбит/с, за счет добавления FEC-заголовков. При этом по одному из плеч интерферометров Маха–Цендера, устройств в основе квадратурных модуляторов, создается фазовый сдвиг на 90 градусов с помощью управляющего напряжения.

Таким образом формируются QPSKсигналы в каждой из поляризаций, которые объединяются с помощью поляризационного сплиттера, образуя структуру DP-QPSK. Каждый символ формата DPQPSK переносит 4 бита информации (по 2 бит/символ в каждой из поляризаций). Переход на скорости 200G и 400G задействует также амплитуду света. Соответствующие форматы модуляции, DP-16QAM и DP-64QAM, существенно увеличивают спектральную эффективность, обеспечивая большую скорость передачи данных в привычной полосе 50 ГГц.

idea 2-100

С теоретической точки зрения волоконно-оптические системы можно рассматривать как классические полосовые системы, к которым применима хорошо разработанная для классической радиосвязи теория модуляции.

В современных DWDM-решениях с плотным расположением оптических каналов, как правило, свободных межканальных интервалов нет, а значит, увеличение спектральной эффективности является единственным способом увеличить общую скорость передачи данных в системе без расширения используемого спектрального диапазона. Это одна из основных причин перехода от амплитудных к более сложным фазовым когерентным форматам модуляции. Плата за такой выигрыш – уменьшение дальности передачи.

3) Наращивание числа несущих
Увеличение числа каналов может происходить освоением новых спектральных диапазонов, что представляет сложность из-за ограниченной эффективной полосы оптических усилителей.

Другое направление – уменьшение межканального интервала в освоенном оптическом диапазоне. Оно требует перехода на новый стандарт спектрального уплотнения и может привести к росту межканальных помех.

Увеличение дальности передачи

Если частота излучения опорного лазера на приеме совпадает с несущей частотой лазера на передаче, система является гомодинной. В гетеродинных приемниках, напротив, промежуточная частота должна намного превышать частоту передачи сигналов.

Второе направление наращивания производительности DWDM-системы – увеличение дальности. Она, в свою очередь, зависит от множества факторов: устойчивости выбранного транспондера к шумам ASE и нелинейным искажениям, параметров усилителей и волокон, взаимного расположения каналов и т. д. Дальность передачи определяется в том числе пороговой чувствительностью приемника (дБ) – величиной, которая показывает, при каком отношении уровня полезного сигнала к уровню шума в линии OSNRт (Optical Signal to Noise Ratio) он еще способен безошибочно детектировать поступающий сигнал.

Часто перед операторами стоит задача увеличения скорости передачи с сохранением дальности. Такой апгрейд линии может происходить путем замены транспондеров на более совершенные с целью сохранения требуемого OSNR.

cover 3_idea 3_idea 2

Преимущества когерентных сетей заключаются в комбинации передовых функций: амплитудной и фазовой модуляции, поляризованного мультиплексирования, когерентного детектирования и сложных процессов цифровой обработки сигналов.

1) Когерентный прием
Для сохранения дальности в сочетании со спектрально-эффективными форматами модуляции применяется технология когерентного приема. Суть когерентного детектирования заключается в смешении поступающего из линии информационного сигнала с излучением опорного лазера. При этом происходит такое преобразование спектра в оптическом диапазоне, что формируемый далее в фотоприемнике электрический сигнал содержит полную информацию об исходном оптическом сигнале.

Структура когерентного приемника изображена на рисунке 7. С помощью поляризационных сплиттеров информационный сигнал и опорное излучение приемного лазера делятся на две ортогональные компоненты. 90-градусный оптический смеситель необходим для смешивания поляризационных составляющих сигнала с Xи Y- компонентами приемного лазера.

Частота опорного лазера может свободно перестраиваться в диапазоне ±20 МГц относительно частоты несущей передающего лазера. Ширина излучения лазеров не превышает 100 ГГц в современных когерентных решениях. Четыре пары сигналов с балансных фотодетекторов, улучшающих чувствительность приема, поступают на входы аналого-цифровых преобразователей. Таким образом формируется 4 символьных потока.

Наиболее распространенные помехозащищенные алгоритмы для когерентных систем: HD FEC (Hard Decision Forward Error Correction), реализованный на основе каскадных кодов, и SD FEC (Soft Decision Forward Error Correction) на основе «мягкого» принятия решения. Оптимальный тип кода выбирается для конкретной линии и зависит от требуемой дальности, значения накопленной дисперсии и других параметров системы.

Несмотря на то что принципы когерентного приема были давно известны, их применение в оптическом диапазоне долгое время было затруднено из-за сложности и дороговизны высокостабильных узкополосных лазеров с необходимостью синхронизации фазы и частоты принятого сигнала и излучения гетеродина. Проблему синхронизации фаз решило возникновение мощных технологий обработки сигналов в цифровом виде. Так, в блоке DSP (Digital Signal
Processing) один из алгоритмов – коррекция разности фаз с применением восстановления несущих. Он исключает необходимость аппаратной синхронизации частот и фаз источников.

2) Цифровая обработка сигнала. Помехозащищенное кодирование.
На сегодняшний день DSP является неотъемлемой частью когерентного транспондера. Согласно рисунку 7, четыре цифровых потока с выходов АЦП поступают в блок DSP, где, помимо упомянутых синхронизации и фазовой диверсификации, реализованы и другие алгоритмы компенсации, необходимые для безошибочного восстановления сигналов.

Первый функциональный блок процессора исключает неточности входного интерфейса – временное рассогласование между четырьмя компонентами из-за неравенства оптических и электрических путей внутри когерентного приемника, неравенство их амплитуд. Далее происходит преобразование асинхронной частоты дискретизации в частоту 2 отсчета на символ. В DSP реализована компенсация накопленной в линии хроматической дисперсии, что исключает необходимость установки в линию физического компенсатора, вносящего дополнительные потери.

Для получения отчетливой фазовой диаграммы необходимо также минимизировать отклонение амплитуды от некоторого предустановленного среднего значения. Устраняется вращение диаграммы в фазовой плоскости. Оценивается и компенсируется фазовый шум, накопленный в том числе из-за действия нелинейных эффектов в волокне. После того как все этапы обработки пройдены, определяются значения принятых символов. Последним шагом является процедура исправления ошибок FEC. Использование избыточного кодирования при цифровой обработке многоуровневого сигнала может давать выигрыш по требуемому OSNR до 9 дБ. К полезной нагрузке в каждом транспондере добавляется FEC-заголовок, размер которого определяется типом кода.


Гибкость и масштабируемость современных оптических транспортных систем

Задачу достижения гибкости и масштабируемости оптического транспорта можно условно разделить на несколько направлений: модернизация физических компонентов системы и организация управляемости сети на программном уровне.

Перестраиваемые форматы модуляции. Суперканалы

Появление когерентных решений для DWDM-систем стало первым шагом в сторону повышения производительности. Каналы 100G+ обеспечили существенное увеличение спектральной эффективности. Однако развитие когерентных технологий на этом не остановилось и открыло новые направления развития. Современные сверхбольшие интегральные схемы (СБИС), применяемые в блоках транспондеров, позволяют программным образом перестраивать формат модуляции для когерентных каналов, масштабируя скорость передачи данных. Такой функционал позволяет оптимизировать сеть, выбирая между дальностью и скоростью, для каждого оптического канала.

idea 1-100

Под суперканалом понимается набор из нескольких оптических поднесущих, которым можно управлять в оптическом тракте как единым целым. Использование нескольких поднесущих само по себе не позволяет повысить спектральную эффективность системы.

Как известно, переход на более высокий уровень модуляции неизбежно уменьшает дальность системы связи. Но высокоскоростные цифровые потоки (200G+) будут передаваться на большие расстояния с использованием не одной, а нескольких поднесущих, то есть с использованием структуры суперканала. Этот факт, в свою очередь, требует перехода DWDM-системы от фиксированной 50ГГц-сетки к гибкому решению с гранулярностью до 12,5 и даже 6,25 ГГц. Именно на таком расстоянии могут быть установлены поднесущие, формирующие суперканал, единую управляемую структуру с информационной точки зрения. Когерентные оптические каналы и суперканалы с программируемой архитектурой требуют изменения архитектуры реконфигурируемых оптических мультиплексоров ROADM на конфигурацию FlexGrid-CDC, подробно описанную ниже.

idea 2-100

ROADM-коммутация может применяться одновременно с OTN-коммутацией.

Коммутация на фотонном уровне. CDC FlexGrid ROADM

После того как когерентные DWDM-каналы, в том числе суперканалы, заполнены трафиком, гибкий ROADM должен при необходимости перераспределить отдельные длины волн по требуемым направлениям.

Новая идеология FlexGrid предполагает уход от фиксированной сетки частот к повышенной гранулярности и доработку классического ROADM в сторону поддержки технологии суперканала с несколькими поднесущими, которые могут располагаться на расстоянии вплоть до 12,5 ГГц и даже 6,25 ГГц.

Выше была описана классическая конфигурация оптического мультиплексора вводавывода. Однако использование суперканалов как средства повышения пропускной способности требует от линейных устройств гибкости и масштабируемости. Еще большее расширение функционала FlexGrid ROADM заложено в аббревиатуре CDC (Colorless, Directionless, Contentionless).

Функция «Сolorless» обеспечивает отсутствие привязки длины волны к порту ROADM, то есть возможность вводить и выводить любую длину волны на любом оптическом выходе устройства.

«Directionless» поддерживает составление оптического маршрута от транспондера на любое из направлений ROADM без привязки к входному и выходному портам.

«Contentionless» разрешает наличие на входных портах сигналов на одинаковых длинах волн, пришедших с разных агрегирующих транспондеров. Такая ситуация обрабатывается на оптическом уровне, разводя одинаковые длины волн в разные выходные порты без смешения. Физическая реализация CDC FlexROADM имеет высокую стоимость, так как требует наличия большого числа матриц оптической коммутации WSS (англ. Wavelength Selective Switch).

Экономическая целесообразность использования таких узлов должна определяться для каждой конкретной транспортной системы. Там, где требуется более дешевое решение и не подразумевается тотальное программное управление, могут быть использованы усеченные варианты (С ROADM, CD ROADM). Там, где отсутствует изменение бодовой скорости и линейные сигналы не являются суперканалами, не требуются высокая гранулярность и Flex-решение.

Блок ROADM должен поддерживать команды, поступающие по OSC-каналу от системы управления, что позволит устройству быть узлом программно-управляемой сети.

cover 3_idea 3_idea 2

В сетях OTN все данные, поступившие на входной порт канала OTN, гарантированно передаются на выходной порт – нет TTL и сброса кадров. В случае возникновения ошибок при передаче в сети OTN происходит восстановление пакета благодаря использованию избыточного кодирования.

Коммутация на электрическом уровне

Выше рассматривалась коммутация на уровне длин волн в устройстве WSS, где разбора сигналов до цифровых контейнеров не происходит. Более сложный вариант – реализация OTNкросс-коннекта (OXC). Наличие матрицы кросс-коммутации, или так называемой свитч-фабрики, – стандартное требование заказчиков DWDM-оборудования для сетей с топологией сложнее, чем «точка-точка». OXC представляет собой управляемую интегральную схему, назначение которой – установление логических соединений между портами подключенных клиентских и линейных карт. В терминологии OTN для каждого ODU низкого порядка программно назначается временной интервал для мультиплексирования в определенный ODU высокого порядка. Построение логических соединений внутри шасси позволяет формировать каналы любой сложности и протяженности на сети оператора в автоматическом режиме. Добавляется функция гибкого резервирования как отдельных клиентских каналов, так и магистральных линий «горячим» резервом без необходимости ручной коммутации в случае аварий.

Конкретная реализация свитч-фабрики определяется подключенными линейными картами, которые будут формировать требования к пропускной способности кроссматрицы, ее гранулярность, внутренний протокол.

На сегодняшний день наибольший интерес для конвергентных сетей, объединяющих разные типы трафика, представляют матрицы кросс-коннекта, реализующие одновременно коммутацию пакетов и коммутацию каналов. К такой кросс-плате могут подключаться линейные карты как с OTN-интерфейсами, так и с Ethernet-портами, а коммутация будет происходить на уровне проприетарных пакетов внутри устройства.

SDN. Программно-управляемые сети

Второе направление развития транспортных оптических сетей – внедрение управляемости на программном уровне.

Программно-определяемая сеть SDN (Software Defined Network) – это сеть с реализованным методом администрирования для управления услугами, когда плоскость управления CP (Control Plane) отделяется (абстрагируется) от низлежащей плоскости пользовательских данных DP (Data Plane).

Помимо CP и DP появляется надстройка в виде так называемого оркестратора. Оркестратор управляет SDN-контроллерами, отслеживающими состояние различных сетевых ресурсов. Контроллеры собирают статистику по всем устройствам сети и взаимодействуют через оркестратор, который оперирует упрощенной моделью нижестоящих уровней на основе полученных данных и выполняет предоставление и оптимизацию ресурсов из конца в конец. Для приложений верхнего уровня предоставляются интерфейсы прикладного программирования (API)

Сегодня актуальная задача - интеграция технологии SDN с оптическим оборудованием и устройствами OTN. Первое обеспечит управляемость и контролируемость на физическом уровне, построение маршрутов передачи трафика с оптимальными физическими параметрами, такими как усиление, формат модуляции, в зависимости от расстояния. Международные стандартизирующие организации, в частности MSA (Multi Source Agreement), разрабатывают спецификации по взаимодействию системы управления с оптическими устройствами.

Второе направление, взаимодействие плоскости управления с OTN-устройствами, обеспечит гибкость построения маршрутов на уровне OTN. В данном случае управляемыми устройствами будут являться OTN-транспондеры и блоки кросс-коммутации.

На данном этапе в качестве программно-управляемых устройств рассматриваются следующие элементы системы: оптические мультиплексоры ввода-вывода ROADM в конфигурации CDCFlexGrid, блоки когерентных перестраиваемых транспондеров в конфигурации BVT (Bandwidth Variable Transceivers), блоки оптических усилителей с настраиваемым коэффициентом усиления.

idea 1-100

Openflow – стандартный протокол, основной элемент концепции SDN, который обеспечивает взаимодействие контроллера с сетевыми устройствами. Контроллер используется для управления таблицами потоков коммутаторов, на основании которых принимается решение о передаче принятого пакета на конкретный порт коммутатора.