Fokin_Kogerentnye_opticheskie_seti_

Рассмотренные коммутаторы служат основой построения различных коммутационных систем WDM для передачи оптических волн от входов к выходам (рис. 8.13) с исключением блокировок. При этом соединения могут оставаться групповыми, т. е. для всех n-каналов и быть селективными, т. е. избирательными для каждой из n-волн λi. Коммутационные системы с коммутацией отдельных волн получили название «многопортовых частотно-селективных переклю-

чателей» WSS (Wavelength Selective Switch) (рис. 8.14).

Рис. 8.13. Соединения между входами и выходами оптических линий для n-оптических каналов (волн) в каждом

Рис. 8.14. Пример структуры WSS с управляемыми пространственными микрозеркалами MEMS

Необходимо отметить, что в качестве коммутирующих элементов в WSS могут служить не только зеркала MEMS, но и другие компоненты, например,

281

электрооптические коммутаторы на управляемых разветвителях PLC 1×2, и на ячейках 2×2, на LCD и т. д. Пример развернутой структуры коммутационной системы на базе WSS представлен рис. 8.15, где каждая из входящих волн может быть маршрутизирована на один из исходящих портов с мультиплексированием волн от других входных портов числом N-1, не обозначенных на рисунке. Для поддержки маршрутизации волн в коммутационной системе предусматриваются функции управления коммутаторами и обязательно алгоритмы маршрутизации всей оптической сети для исключения конфликтов волн одинаковой длины разных направлений при коммутации.

Рис. 8.15. Пример развернутой коммутационной структуры WSS

Коммутационные системы различной структуры служат основой для построения мультиплексоров доступа к отдельным оптическим каналам OADM/ROADM и оптических кроссовых коммутаторов OXC/PXC с полным доступом ко всем оптическим каналам и секциям мультиплексирования сложных узлов связи. Кроме того, простые широкополосные коммутационные ячейки вида 1×2, 2×1, 2×2 используются для переключения оптических секций мультиплексирования с целью их защиты при повреждениях кабельных линий.

8.3. Оптические мультиплексоры OADM/ROADM

Что представляют собой оптические мультиплексоры OADM (Optical Add/Drop Multiplex – оптический мультиплексор ввода/вывода) и ROADM (Reconfigurate Optical Add/Drop Multiplex – перестраиваемый оптический муль-

типлексор ввода/вывода)?

Мультиплексор OADM это сетевое устройство или сетевой элемент (узел оптической сети), в котором производится выделение и/или ввод оптических

282

каналов, организованных на отдельных волнах сетки волн CWDM или DWDM средствами фиксированного оптического переключателя или ответвителя (в случае мультикастинга). При этом число выделяемых/вводимых оптических каналов длительный период времени (например, более года) остается постоянным. Мультиплексор представляет собой устройство с пассивными оптическими компонентами (например, оптический мультиплексор и демультиплексор на основе волноводных решеток AWG, волоконные соединители с коннекторами, циркуляторы, брэгговские волоконные решетки, ответвители), не требующими электропитания и обслуживания (рис. 8.16, а). Такие устройства могут размещаться в станционном и линейном оборудовании (например, в оптических муфтах). В отдельных случаях в составе OADM могут использоваться ответвители оптической мощности (в пределах 5 % от общей мощности каждого из оптических каналов) с фотодиодами (ФД) для системы мониторинга линейного тракта, оптических каналов и пассивные оптические аттенюаторы (Атт) для выравнивания мощности оптических сигналов каждого оптического канала. Фотодиоды в составе OADM подключаются к контроллеру мониторинга, имеющему отдельный канал связи с сетевыми устройствами управления (рис. 8.16, б). В последнем OADM относится к энергозависимым и размещается, как правило, только в местах с гарантированным электропитанием.

Выделяемые и вводимые оптические каналы могут иметь локальный или удаленный терминал в виде модулей SFP, XFP и CFP.

Рис. 8.16. Структуры OADM различных вариантов исполнения: а) пассивный; б) с элементами мониторинга

Мультиплексор ROADM представляет собой активное устройство или сетевой элемент (узел оптической сети), обладающей возможностью ввода/вывода любого (или любых) оптического канала (каналов) из спектра DWDM. Узел ROADM, как правило, состоит из 2-х независимых частей, отвечающих за ввод/вывод (drop/add) и коммутацию оптических каналов (рис. 8.17). Мультиплексор ROADM содержит средства контроля оптических каналов и оптических линий, контроллер управления коммутаторами оптических каналов, подключаемому

283

в сеть управления средствами отдельного сервисного канала. В мультиплексоре ROADM, как правило, нет ограничений на количество выделяемых/вводимых оптических каналов и время их конфигурирования, т. е. предусмотрено гибкое управление этим ресурсом, что принципиально отличает ROADM от OADM. Коммутационная часть ROADM может быть реализована оптическими компонентами, рассмотренными выше в 8.2, что послужило основой для разделения ROADM по классам или группам применения в оптической сети с реализацией различных возможностей по доступу к оптическим каналам, гибкости и сложности управления (маршрутизации), защите оптических соединений, контролю параметров оптической передачи, мультикастингу (рис. 8.18).

Рис. 8.17. Структура ROADM

Рис. 8.18. Варианты исполнения ROADM

284

Наивысшую гибкость в оптической сети среди известных конструкций ROADM обеспечивают устройства на основе WSS, т. к. позволяют гибко выстраивать маршруты волн, их группирование и разделение. Такие конструкции ROADM стали основой узловых коммутационных систем по направлениям кроссовой фиксированной и динамической коммутации. Последний вид коммутации наиболее перспективен для динамичного управления оптическими каналами с использованием сигнальных систем, в частности систем на основе протокола GMPLS. Также благодаря гибкости построения ROADM возможно создание сложных управляемых транспортных сетей кольцевого типа с защитой соединений на основе оптических каналов и секций (рис. 8.19).

Рис. 8.19. Различающиеся возможности OADM (а – фиксированный доступ к каналам) и ROADM (б – изменяемый доступ к каналам и секциям)

по гибкости построения оптической сети

Однако масштабы применения ROADM в оптических сетях связи имеют ряд ограничений по параметрам потери оптической мощности, накопления помех, сужения полосы оптических каналов, накопления дисперсионных искажений и т. д.

Количество включаемых в единую цепь мультиплексоров ограничивается собственными потерями оптической мощности в каждом канале и применением оптических усилителей, которые вносят шум (рис. 8.20).

Чем длиннее оптическая линия между ROADM, тем большее затухание должно быть компенсировано усилителем OA в составе мультиплексора. Чем больше потери оптической мощности в устройствах ROADM (демультиплексор, мультиплексор, сплиттер, аттенюаторы управления мощностью в каналах), тем большее требуется усиление от OA, что способствует снижению OSNR.

285

Рис. 8.20. Проблема снижения OSNR в оптическом канале с применением

ROADM и оптических усилителей OA1

Так же существенные ограничения по доступу к оптическим каналам обусловлены сужением полосы частот каждого спектрального канала в ROADM. На рис. 8.21 представлены примеры по снижению параметра Q-фактора (а) (т. е. снижения OSNR, б) и уменьшению полосы частот спектрального канала в зависимости от числа операций доступа через ROADM [107].

Рис. 8.21. Снижение эффективности спектрального канала в группе

из 10 каналов QAM16 на скорости 112 Гбит/с в каждом из-за использования промежуточных операций выделения/ввода в полосе канала 25 ГГц

Таким образом, использование ROADM в составе когерентных оптических сетей создает проблемы по организации протяженных оптических каналов с

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

286

высокими скоростям передачи (от 40 Гбит/с и выше). Это ограничение полосы частот оптического канала, снижение OSNR из-за накопления шумов спонтанной эмиссии, дополнительно вносимые поляризационные потери в оптических компонентах, дополнительные дисперсионные искажения, различная чувствительность разноформатных сигналов к линейным и нелинейным искажениям. Все это вместе требует применения корректных методик при проектировании оптических сетей, в частности учет штрафов по вносимым искажениям сигналов. Величина допустимого штрафа за ухудшение сигналов прописывается в оптических характеристиках транспондеров. Характеристики транспондеров формируются в рамках международной стандартизации ITU-T и фиксируются в рекомендациях G.671, G.680, G.696, G.698 и др. Характеристики ROADM также являются предметом стандартизации ITU-T G.672 (10/2012) Characteristics of multi-degree reconfigurable optical add/drop multiplexers. Пример характеристик

ROADM (ADVA Optical Networking), используемых для расчета оптических каналов оптической сети, представлен в табл. 8.3.

Табл. 8.3. Характеристики ROADM на основе WSS

8.4. Оптические (фотонные) кросс-коммутаторы OXC/PXC

Фотонные коммутаторы для кроссовых соединений позволяют создавать надежные оптические сети с большими возможностями по организации соединений на основе волоконных линий и спектральных каналов. При этом соединения можно защитить от повреждений при коротком нормированном времени переключения (обычно не более 50 мс). Также применение фотонной кросскоммутации может служить основой для статичных и динамичных оптических соединений. Статичные оптические соединения, как наиболее простой вид оптической передачи с защитой или без нее, применяется для долговременных связей типа «точка–точка» и «точка–много точек» (обычно это временной интервал от суток до года и более). Динамичные оптические соединения (с защитой или без защиты) создаются только на время сеанса или передачи информационных сигналов. Они создаются по командам системы сигнализации (обычно это временной интервал от нескольких минут до нескольких часов). Динамические соединения могут быть эффективнее статических при необходимости перераспределения потоков информационных сообщений в часы наибольшей нагрузки,

287

что становится наиболее актуальным при построении оптических мультисервисных транспортных сетей с пропускными способностями в десятки терабит в секунду. Наилучшее или оптимальное по критерию загруженности соединений сетевое решение получило название «Груминг» (от англ. grooming). Процедуры груминга реализуются различными алгоритмами поиска оптимальных маршрутов для статических и динамических соединений [106].

Фотонные кроссовые коммутаторы PXC следует рассматривать в качестве сетевых элементов, с возможностями более широкими, чем для ROADM.

Структурное построение фотонных кроссовых коммутаторов PXC (OXC) в общем виде предполагает три уровня (рис. 8.22): коммутацию волоконных световодов FXC (Fiber Cross-Connect); коммутацию групп волновых (спектральных) каналов или оптической полосы волн BXC (waveBand Cross-Connect); коммутацию отдельных спектральных каналов (длин волн) WXC (Wavelength Cross-Connect). Источниками и приемниками сигналов оптических каналов являются транспондеры и мукспондеры (TPD, MUXPD), подключаемые к цифровым кроссовым коммутаторам DXC (Digital Cross-Connect). Для объединения и разделения оптических волновых полос и отдельных волн используются оптические мультиплексоры/демультиплексоры (BTF mux – оптическая полоса в волокно, WTB mux – волна в полосу, FTB demux – из волокна в полосу, BTW demux – из полосы волну).

Физическое исполнение устройств FXC, BXC, WXC представляет собой матрицы микрозеркал MEMS, подложки с управляемыми оптическими каналами PLC и т. д. Мультиплексоры и демультиплексоры также в известных реализациях устройств интерливинга, волноводных решеток AWG и т. д. Основой для построения PXC(OXC) может служить ROADM – WSS с отдельными блоками четырех географических направлений (запад–восток–север–юг) (рис. 8.23).

Рис. 8.22. Структура оптического кроссового коммутатора

288

Рис. 8.23. Структура OXC на основе ROADM с волновыми селективными коммутаторами WSS

Проблемы использования оптических кроссовых коммутаторов в сетях связи аналогичны тем, что и в случае применения ROADM.

Контрольные вопросы

1.С какой целью созданы оптические мультиплексоры и коммутаторы?

2.Что представляет собой волновой (спектральный) оптический канал?

3.Что служит источником и получателем сигнала в оптическом канале?

4.Какие интервалы предусмотрены между спектральными (волновыми) каналами?

5.Какие технологии используются для изготовления оптических фильтров, мультиплексоров, коммутаторов?

6.Что такое оптический интерливинг?

7.Как устроена решетка AWG?

8.Чем определяется разрешающая способность волноводной решетки?

9.Какие характеристики имеют решетки AWG?

10.Какие виды кривой полосы пропускания могут иметь AWG?

11.Какова допустимая величина дисперсии в волновом канале AWG?

12.Какое назначение имеют интерливинговые фильтры?

13.В чем состоит преимущество использования интерливинговых фильтров?

14.Какая элементная база служит построению интерливинговых фильтров?

15.С какой целью в ВОСП используются оптические коммутаторы?

16.Какие разновидности оптических коммутаторов по назначению можно определить?

17.Что входит в набор требований к оптическим коммутаторам?

289

18.Чем отличаются симметричные и несимметричные оптические комму-

таторы?

19.Какие различают виды коммутационных ячеек?

20.Чем характеризуют все виды оптических коммутаторов?

21.Какие технологии используют для построения коммутаторов?

22.Что представляет собой оптический коммутатор WSS?

23.Чем создаются возможные маршруты волн в коммутаторе WSS?

24.Что представляют собой оптические мультиплексоры OADM/ROADM?

25.Чем принципиально отличаются OADM и ROADM?

26.Какие типы ROADM используются в настоящее время и перспективны для дальнейшего применения?

27.Какие проблемы существуют по применению ROADM?

28.Какое назначение имеют фотонные кроссовые коммутаторы?

29.Чем различаются статические и динамические соединения в фотонных коммутаторах?

30.Что входит в общую структуру построения фотонного кросскоммутатора?

31.Что такое grooming в оптической сети?

32.С какой целью в состав фотонного коммутатора входят транспондеры и мукспондеры?

290