Fokin_Kogerentnye_opticheskie_seti_

синхронизации в составе оптической сети OTN/OTH не является строго обязательным в пределах местных и внутризоновых сетей из-за ограниченного количества СЭ и больших допусков по стабильности ГСЭ, обусловленной возможностями асинхронного согласования скоростей цифровых потоков.

Рис. 2.78. Структура цепи синхронизации сетевых элементов OTH

2.8. Элементная база оптической транспортной иерархии

Все выше рассмотренные функции оборудования OTH реализуются аппа- ратно-программными средствами специализированных электронных процессорных блоков, выполняемых по нанотехнологическим решениям на кремниевых (селиконовых) подложках. Габаритные показатели одного электронного компонета составляют 12–65 нм. Это позволяет размещать на относительно небольших площадях схем все компоненты для формирования OTUk, включая и процессоры FEC. На рынке компонетов (device) для оборудования оптических сетей присутствует много производителей среди которых наиболее известные: Infinera, Ciena, Altera, Alcatel-Lucent, Actel, IBM, Shenzhen Wintop Optical Technology, FUJITSU SEMICONDUCTOR LIMITED, VITESSE, Xilinx и др.

Особенностью современной компонентной базы для реализиции функций OTH является использование перепрограммируемой универсальной процессор-

ной логики FPGA (Field-Programmable Gate Array, программи́ руемая по́льзователеме́в нтильная ма́ трица– полупроводниковое устройство, конфигурируемое производителем или разработчиком после изготовления), которая удобна для реализации любых по сложности устройств формирования OTUk, ODUk, OPUk, включая коммутацию и мультиплексирование. Эти устройства называют: транспондер (transponder); мукспондер (muxponder); регенератор (regenerator). Плотность логических компонентов и регистров на подложке пре-

111

вышает 103, а блоков памяти более 2000. Также на подложке могут размещаться модули CFP, XFP, SFP+, предназначенные для подключения пользовательской нагрузки. В составе этих устройств может програмироваться такая важнейшая функция оптического канала, как адаптивная электронная компенсация хроматической дисперсии, подстройка фазы тактового генератора под такты внешнего стабильного генератора PLL (Phase-Locked Loops) и т. д.

Ниже для наглядности приведены примеры реализации устройств OTH на базе программируемой схемотехники компании Altera Corporation1, имеющих серийное обозначение:Stratix® series FPGAs.

В серию Stratix входят компоненты с номерами от 1 до 5. Номерное обозначение указывает на нанотехнологическое решение. Серия 5 (V) относится к последнему поколению с размерностью компонентов логики от 22 до 28 нм (внешний вид изделия представлен на рис. 2.79), предназначенной для использования в когерентных оптических системах со скоростью в каналах 40/100/400 Гбит/с. Серия 4 (IV) реализует компоненты размерностью 40 нм, серия 3 (III) реализует компоненты размерностью 65 нм и т. д. По своим логическим программируемым возможностям серия 5(V) вобрала в себя все возможности предыдущих серий и дополнена возможностями перепрограммирования. Таким образом сочетаются возможности общие для процессоров и специфичекого прикладного назначения (своеобразная селиконовая конвергенция), что ранее выполнялось отдельными схемами (рис. 2.80) теперь реализуется в одной схеме.

Рис. 2.79. Исполнение блока FPGA Ethernet 100 Гбит/с c оптическими интерфейсами XFI для расстояний до 100 м

На рис. 2.80 обозначено:

ASIC, Application-Specific Integrated Circuit, интегральная схема для спе-

цифического применения, т. е. схема, специализированная для решения конкретной задачи;

1 URL: www.altera.com (дата обращения: 27.01.2015).

112

ASSP, Application Specific Standard Product, стандартный продукт специ-

ального применения;

mP, microprocessor, микропроцессор – программируемое устройство для выполнения логических и арифметических операций;

DSP, Digital signal processing, цифровой сигнальный процессор – устройство для цифровой обработки сигналов реального времени.

Рис. 2.80. Сочетание возможностей современной схемотехники FPGA

Сочетание выше указанных возможностей в одной программируемой схеме Stratix (V) позволяет использовать ее для дальнейшего наращивания емкости обработки данных до скоростей 200 Гбит/с, 400 Гбит/с и 1 Тбит/с.

На рис. 2.81 приведен пример структурирования функций OTH от пользовательских окончаний (10 × 10 Гбит/с) до порта 100 Гбит/с. В структуре отдельно представлены три функциональных блока: универсальный пользовательский блок с 10 портами (Universal Client Port); блок размещения нагрузки и формирования циклических структур с последующим мультиплексированием (Mapping, Framing, Muxing); блок формирования данных для оптического канала в виде кадра OTUk с функциями коррекции ошибок FEC (Processing, Framing, Forward Error Correction). Эти функциональные блоки могут программироваться как на одной подложке, так и на различных.

На рис. 2.82 представлены возможные варианты исполнения схем FPGA для реализации функций оборудования оптических сетей на скорости 100 Гбит/с: транспондер пользовательского сигнала 100 Гбит/с (а); мукспондер 10 пользовательских сигналов (б); мультиплексор n блоков ODUk (в); многопротокольный мультиплексор (г). Более подробный набор функций OTH, реализуемых (программируемых) в схемах FPGA, приведен в приложении 1.

Важнейшей программируемой функцией FPGA для передачи пользовательского цифрового трафика в оптической сети является восстановление тактового синхронизма на приемной стороне оптического канала при передаче сигналов в сторону пользовательского (клиентского) оборудования. Восстанов-

113

ление тактового синхронизма производится по двум позициям: восстановление формы импульсных (тактовых) посылок и устранение фазовых дрожаний (джиттера и вандера).

Рис. 2.81. Функции FPGA в 100 Гбит/с оптической транспортной сети

Рис. 2.82. Варианты исполнения FPGA для оптической сети 100 Гбит/с

Ниже на рис. 2.83 и 2.84 приведены примеры программно-аппаратных решений по восстановлению тактового синхронизма с использованием внешних генераторов (VCXO, XO) по отношению к схемам FPGA. Они известны как схемы ретайминга компонентных портов цифровых систем передачи [23], в которые входят: регистры FIFO (первый пришел, первый ушел); регистры преобразователя SERDES (Serializer/Deserializer) последовательной передачи в параллельную; схемы передачи петли выравнивания (подстройки) фазы PLL (Phase-Locked Loop); кварцевый генератор, управляемый напряжением VCXO (Voltage-Controlled Crystal Oscillator , ref clock) и генератор тактов высокой ста-

114

бильности XO, например, первичный эталон или вторичный генератор с внешней принудительной синхронизацией; фильтр узкой полосы, настроенный на тактовую частоту (Filter).

Рис. 2.83. Пример типового решения по восстановлению тактового синхронизма в оптическом канале с применением схемы FPGA

Рис. 2.84. Пример нового решения по восстановлению тактового синхронизма в оптическом канале с применением схемы FPGA Stratix V (Altera)

Таким образом, в каждом оптическом канале может использоваться собственный отдельный генератор VCXO или единый на все оптические каналы стабильный генератор, тактами которого будут хронироваться все принимае-

115

мые цифровые потоки, направляемые в сторону потребителей услуг транспортной сети.

Детальные оценки стабильности тактов в OTH и других технологиях транспортных сетей можно найти в пакете рекомендаций ITU-T: G.709/2012, G.798/2013, G.781/2009, G.810/1996, G.811/1997, G.812/2004, G.813/2003, G.8261/2008и др.

Контрольные вопросы

1.Какие уровни определены в модели технологии оптической сети?

2.Какие функции определены уровнями модели OTN?

3.Какие сигналы формируются на уровне OCh?

4.Что представляет собой OTU?

5.Какие виды мультиплексирования используются в OTH/OTN?

6.Какая из структур оптических интерфейсов OTN может поддержать наивысший сервис при организации соединений?

7.Для чего предназначены интерфейсы OTN с упрощенными функциями?

8.Что обозначают индексы с малыми буквами n, m, nr, mvn в оптических транспортных модулях OTM?

9.Чем отличаются порядки формирования цифровых и оптических блоков

OTM-n.m, OTM-nr.m, OTM-0.m, OTM0.mvn?

10.Сколько вариантов формирования оптических модулей OTM предусмотрено схемой мультиплексирования OTH?

11.Чем отличаются в принципе формирования блоки ODU4(L) от

ODU4(H)?

12.Что обозначает ODTUG4?

13.Чем отличаются в принципе формирования блоки ODU3(L) от

ODU3(H)?

14.Что обозначает ODTUG3?

15.Чем отличаются в структуре блоки OPU-3-Xv от OPU3(L) и OPU3(H)?

16.Какие варианты формирования OTU2 предусмотрены в OTH?

17.Какую переиодичность повторения (цикл) имеют блоки OTU1, OTU2, OTU3, OTU4?

18.Какую полезную (в байтах) имеет блок OTUk?

19.Зависит ли емкость OTUk от индекса k = 1, 2, 3, 4?

20.Какое назначение определено служебным полям OTUk (OH, FEC)?

21.В чем смысл кодирования Рида–Соломона?

22.Какое назначение определено полю с 1 по 14 байт первой строки кадра

OTUk?

23.Что обозначают сокращения FAS, MFAS, SM, GCC, RES в поле заголовка OTUk?

24.Какая процедура заложена в OTUk для контроля ошибок?

25.Какие разновидности ODU предусмотрены в OTH?

26.Какие назначения имеют байты TCM в заголовке ODUk?

27.Сколько байт TCM всего предусмотрено в заголовке OTUk?

116

28.Как организовано использование байт TCM?

29.Какие функции возложены на байты PM OH ODUk?

30.Какие сетевые возможности у байт APS/PCC OH ODUk?

31.Что можно организовать с помощью байт GCC1/GCC2 в заголовке OH

ODUk?

32.Что обозначает 3R регенерация?

33.Какие виды защитных переключений возможны при организации оптических каналов?

34.Какие скорости передачи пользовательских потоков поддерживают

OPUk, в том числе OPUk-Xv?

35.Какие функции возложены на заголовки OH OPUk?

36.Почему нормированы допустимые отклонения тактовых частот в генераторах аппаратуры OTH?

37.Какие перспективы в развитии OTH можно определить на ближайшее

время?

38.В чем состоят сервисные возможности OTH для транспортных сетей?

39.Что такое дефект при обслуживании соединения в OTN?

40.Какие сигналы в OTH применяются для контроля качества соединений?

41.Что служит основным показателем качества соединения в OTH?

42.Что обозначает AIS?

43.Какие точки обозначены на функционально-архитектурной схеме

OTH/OTN?

44.Какие функции поддерживает оборудование OTH уровня секции передачи OTS?

45.Какие функции поддерживает оборудование OTH уровня секции мультиплексирования OMS?

46.Какие функции поддерживает оборудование OTH уровня оптической физической секции передачи OPS?

47.Какие функции поддерживает оборудование OTH уровня оптического канала OCh?

48.Какие устройства могут входить в структуры оптической сети

OTN/OTH?

49.Какие функции предусмотрены в общей модели организации управления в OTN?

50.Что служит современной электронной элементной базой для реализации аппаратуры OTH/OTN?

51.Что такое FPGA?

52.Какую продукцию для построения аппаратуры OTH производит ком-

пания Altera?

53.Какие преимущества имеет FPGA Stratix серии V перед другими сери-

ями (IV, III)?

54.Что используется в FPGA для восстановления тактового синхронизма при выделении нагрузки OTH в сторону потребителя?

117

3.ПЕРЕДАТЧИКИ И ПРИЕМНИКИ СИГНАЛОВ ОПТИЧЕСКИХ КОГЕРЕНТНЫХ СИСТЕМ

Принципиальное и конструктивное исполнение передатчиков и приемников когерентных оптических систем отличается сложностью электронных и оптических решений, реализуемых схемами нанометровых электронных компонент (12–65 нм) и планарными технологиями оптических каналов (PLC), алгоритмами кодирования и декодирования мощностных и фазовых характеристик излучения. Современные решения отличаются от предшествующих интеграцией оптических и электронных схем на единой подложке, температурной устойчивостью, возможностями перестройки характеристик излучения, усиления и фильтрации принимаемого оптического сигнала, электронной или оптической компенсацией искажений и т. д.

В предлагаемом разделе учебного пособия рассматриваются возможные структуры оптических передатчиков, источники оптического излучения (одномодовые лазеры основных конструкций и их характеристики), способы модуляции излучения и схемы модуляторов с характеристиками, структуры прямых и когерентных приемников оптических сигналов, фотодетекторы, когерентное детектирование.

3.1. Структуры оптических передатчиков

Оптические передатчики когерентных систем в общих структурах подразделяются на три вида: передатчики с прямой модуляцией оптического излучения (рис. 3.1, а); передатчики с простой внешней модуляцией оптического излучения (рис. 3.1, б); передатчики с генераторами оптических импульсов (на одной, двух и более модах) и модуляторами этих импульсов отдельно по интенсивности или фазе, комплексной модуляции (рис. 3.1, в).

В отдельную группу передатчиков можно вынести передатчики с модуляцией оптических частот и формированием однополосных и двухполосных оптических сигналов (рис. 3.2) [24].

Схемы передатчиков с прямой модуляцией интенсивности оптического излучения отличаются низким качеством модулированного сигнала, в котором присутствуют искажения формы импульсных оптических посылок (чирпингэффект, т. е. паразитная частотная модуляция излучаемого оптического спектра), шумы модулятора, расширенный спектр, способствующий повышенной дисперсии при распространении сигнала в волокне. Такая схема чувствительна к температурным отклонениям и нуждается в термостабилизации (рис. 3.3), например, встроенными микрохолодильниками на основе эффекта Пельтье и применением электронной цепи регулировки током смещения через фильтр нижних частот (ФНЧ) (рис. 3.4). Эти схемы используются для организации связи на предельно ограниченные расстояния между передатчиками и приемниками (от нескольких метров до 2 км по международной стандартизации ITU-T G.693)

118

на скоростях до 10–40 Гбит/с и представлены в стандартных модулях SFP, SFP+, XFP, CFP, о которых более подробная информация приводится в разделе 6.

В передатчике с простым внешним по отношению к лазеру модулятором исключается чирпинг-эффект, в несколько раз расширяется возможная полоса частот модуляции интенсивности и достижимая скорость импульсов увеличивается до 100 Гбит/с. При этом расширяется спектр модулированного сигнала до 200 ГГц и выше, что также ограничивает возможности по преодолению дисперсионных искажений в волоконных линиях и наращиванию числа спектральных каналов WDM из-за ограниченной полосы пропускания известных волоконных световодов (около 20–30 ТГц).

Рис. 3.1. Структуры оптических передатчиков когерентных систем

Третий вариант структуры оптического передатчика когерентной системы отличается от предыдущих большей сложностью построения из-за электронного кодера информационных данных и формирователя оптических импульсов (драйвер модулятора), двойной схемы модулятора для формирования оптических импульсов и управления этими импульсами, более высокой степенью интеграции компонентов и высокой стоимостью изделий.

119

Рис. 3.2. Структура оптического передатчика с двухполосной, двухчастотной модуляцией

Рис. 3.3. Температурная зависимость излучаемой мощности оптического сигнала при прямой модуляции

Однако при этом может быть достигнута требуемая полоса частот модулированного сигнала (например, 50 ГГц), которая не будет изменяться с увеличением скорости передачи информационных данных (например, при переходе от 10 Гбит/с к 100 Гбит/с), что позволит сохранять сетку частот DWDM, т. е. число организуемых в линейном тракте оптических каналов, общий уровень мощности всех каналов до нелинейного ограничения и, главное, управляемость скоростью передачи в каждом канале (до 100/400 Гбит/с) или в группе каналов почти независимо от длины секции передачи или мультиплексирования (до 10 Тбит/с). В таком же смысле решения по структуре оптического передатчика с двухполосной модуляцией фазы и интенсивности излучения позволяют нара-

120