Fokin_Kogerentnye_opticheskie_seti_

9.СЕТЕВЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ И КОНФИГУРАЦИИ ОПТИЧЕСКИХ ТРАНСПОРТНЫХ СЕТЕЙ

Сетевые элементы оптических сетей (ONE, Optical Network Element) представляют собой устройства, в которых реализуются функции создания и/или поддержки управляемых (коммутируемых) и неуправляемых соединений спектральных (волновых) каналов, групп спектральных (волновых) каналов, секций оптического мультиплексирования и передачи.

Сетевые элементы оптических сетей подразделяются на активные и пассивные. Активными оптическими сетевыми элементами являются: оптические усилители; оптические терминальные мультиплексоры с транспондерами (мукспондерами) и оптическими усилителями; оптические мультиплексоры ROADM; оптические кроссовые коммутаторы; электронные коммутаторы с оптическими интерфейсами. Все активные сетевые элементы оснащаются встроенными функциями сетевого управления, реализуемыми контроллерами с встроенными программами «агентов», «менеджеров» и выделенными сервисными оптическими каналами.

Пассивными оптическими сетевыми элементами являются мультиплексоры типа OADM (например, на брэгговских фильтрах), не оснащенные оптическими усилителями и транспондерами, пассивные оптические разветвители, отдельно используемые компенсаторы дисперсии, интерливинговые фильтры. Пассивные оптические сетевые элементы, в отличие от активных сетевых элементов, не требуют энергоисточников.

9.1.Структуры активных сетевых элементов оптических сетей

Вструктуры активных сетевых элементов включаются различные оптические и электрические блоки (транспондеры TPD и мукспондеры MUXPD, оптические усилители OA и т. д.), что зависит от требуемых решений в сети связи. Примеры формирования структур сетевых элементов рассмотрены ниже.

9.1.1.Оконечный (терминальный) оптический мультиплексор

Структура оптического оконечного или терминального сетевого элемента

OLT (Optical Line Terminal) представлена на рис. 9.1. В структуре OLT может быть укомплектовано несколько транспондеров и мукспондеров (TPD/MUXPD), широкополосные оптические усилители для передачи в линию (бустер) и приема для повышения чувствительности (предусилитель) (OA), оптический мультиплексор/демультиплексор (MUX), транспондер сервисного оптического канала (TPD OSC). Также OLT характеризуется в оптической сети числом образуемых спектральных каналов в определенном диапазоне волн, например, 1530–1560 нм. Обычно сервисный канал OSC находится вне рабочего диапазона, например, на волне 1490 нм или 1510 нм, и мощность излучения его передатчика ниже мощности любого из информационных оптических каналов.

291

Рис. 9.1. Структура оконечного оптического сетевого элемента «Мультиплексор OLT»

Помимо основных функций сетевого элемента (терминирование и обслуживания оптических информационных каналов) в OLT реализованы дополнительные обязательные функции по электропитанию, сигнализации, управления безопасностью, служебной связи. Мультиплексор OLT реализуется, как правило, на основе универсальной транспортной платформы (многоместной корзины или поддона) с соответствующим комплектованием блоками (транспондерами, мукспондерами, мультиплексором/демультиплексором, оптическими усилителями, контроллером управления, электропитающим блоком и т. д.).

9.1.2. Оптический мультиплексор выделения/ввода

Сетевые оптические элементы с общим названием «Оптический мультиплексор выделения/ввода» отличаются от терминальных мультиплексоров большими функциональными возможностями при построении различных топологий оптических сетей. Эти возможности связаны с доступом к оптическим каналам, гибким изменениям конфигураций соединений на основе оптических каналов, защитными переключениями для волоконных линий и спектральных каналов и т. д.

В общей структуре сетевого элемента «Оптический мультиплексор выделения/ввода» применяются (рис. 9.2): мультиплексор ROADM на основе одной из трех технологий (WB, PLC/MEMS, WSS); оптические усилители; транспондеры/мукспондеры и др. компоненты. Благодаря применению ROADM возможно построение сетевого элемента с различными решениями по доступу к оптическим каналам (рис. 9.3), что позволяет планировать и проектировать оптическую сеть в каждом узле связи по потребностям информационного трафика. При этом сохраняется некоторая заданная конфигурация сети, но может изменяться структура соединений на основе оптических каналов.

292

Рис. 9.2. Структура оптического сетевого элемента выделения/ввода «Мультиплексор ROADM»

Рис. 9.3. Варианты функционального исполнения оптических сетевых элементов выделения/ввода

На рис. 9.3, а представлен вариант полного доступа ко всем оптическим каналам для выделения и ввода на волнах от λ1 до λn. В таком варианте может потребоваться полная комплектация оборудования транспондерами/мукспондерами

293

всех каналов и коммутационный узел, поддерживающий 2n соединений. На рис. 9.3, б, в представлены варианты доступа к отдельным оптическим каналам по различным направлениям (восток или запад) организации связи. На рис. 9.3, г представлен вариант организации доступа к отдельным оптическим каналам по схеме широковещания или распределения информационного трафика. Последний вариант используется в одном направлении передачи информации для оповещения, радио и телевизионных передач без обратного канала связи.

9.1.3. Узлы оптической кроссовой коммутации

Сетевые элементы с кроссовой коммутацией представляют собой наиболее сложные технические, технологические и алгоритмические решения при построении оптической сети связи. Технические сложности связаны с большим объемом оборудования, энергообеспечением, площадями размещения. Технологические сложности обусловлены необходимостью сопряжения различного пользовательского оборудования (различных технологий передачи данных: PDH, SDH, Ethernet, ATM, MPLS и др.) с оптическим оборудованием спектральных каналов и технологиями организации оптических каналов (DWDM, CWDM), волоконно-оптических линий связи с различными волокнами (G.652 a,b,c,d,; G.653; G.655), систем управления и мониторинга. Алгоритмические сложности обусловлены необходимостью использования различных программных продуктов не только по управлению в сети, но и в маршрутизации оптических каналов, создании, поддержке рабочих и защитных соединений. Все вышеуказанные сложности повлияли на структурные решения сетевых элементов кроссовой оптической коммутации (рис.9.4–9.7).

Первый вариант узлового сетевого элемента (см. рис. 9.4) представляет собой сочетание терминальных оптических мультиплексоров, оснащенных транспондерами и электронного коммутатора с оптическими модулями сопряжения для коротких волоконных линий CFP (преобразование оптика-электроника О-Э).

Рис. 9.4. Структура узлового оптического сетевого элемента с электронным кроссовым коммутатором

294

Электронный коммутатор поддерживает коммутацию синхронных оптических блоков, например, VC3/4 в технологии SDH или коммутацию пакетов (кадров, фреймов) в технологии Ethernet. Возможно совмещение нескольких видов коммутаторов каналов и пакетов в одном оборудовании в виде отдельных физических опций в одной или различных корзинах и применение мукспондеров для передачи информационных потоков с различными технологиями. При этом каждый из коммутаторов поддерживает и мультиплексирование по соответствующей технологии.

Рис. 9.5. Структура узлового оптического сетевого элемента с оптическим кроссовым коммутатором и выносными линейными терминалами

Применение оптической коммутации в составе сетевого узлового элемента позволяет уменьшить объем электронного оборудования для различных технологий, упростить алгоритмические средства и производить оптические соединения на одном коммутаторе. Сложностью считать необходимость учета в программе коммутации технологии передачи информационных данных в оптических каналах, т. к. каналы могут оказаться несовместимыми, например, Ethernet и TP-MPLS имеют различные кадровые структуры и терминалы, которые в коммутируемом соединении несовместимы. При этом оптическая коммутация может быть выполнена на одной длине волны (преобразования оптика – электроника – оптика О-Э-О в CFP) в пространственно-разнесенных коммутационных ячейках без блокировки. Применение модулей CFP позволяет выносить линейные оптические терминалы на значительные расстояния от узла коммутации (до 10 км). При концентрации всех информационных оптических каналов в одном узле структура оптического коммутатора может быть упрощена за счет исключения модулей CFP между линейными терминалами и оптической коммутационной средой (см. рис. 9.6). При этом оптический коммутатор

295

также остается полнодоступным для всех оптических перекрестных соединений без блокировки. Конечно, соединить два оптических канала одного или разных направлений с третьим нельзя, но сохраняется возможность ответвления части оптической мощности для выделения или перенаправления в другие каналы.

Рис. 9.6. Структура узлового оптического сетевого элемента с оптическим кроссовым коммутатором с концентрацией в узле

При использовании в узлах оптической коммутации «цветных каналов», т. е. оптических каналов на различных волнах, возможности по установлению соединений ограничиваются количеством одинаковых спектральных составляющих (см. рис. 9.7) при предельной простоте построения коммутационной среды и терминирования сигналов WDM. Однако соединения такого вида будут светопрозрачными (или просто прозрачными), т. е. сохраняющими оптическое излучение от источника информационного потока до получателя в транспортной сети. Любые другие соединения в оптической сети (см. рис. 9.4–9.6) не являются прозрачными, т. е. не поддерживают сквозные оптические соединения.

При необходимости установления соединений между каналами с различными λi в состав оптического коммутатора должны включаться волновые конверторы типа О-Э-О, например, на основе модулей XFP, CFP или оптические конверторы волн типа О-О, например, на основе полупроводниковых оптических усилителей.

296

Рис. 9.7. Структура узлового оптического сетевого элемента с оптическим кроссовым коммутатором для «цветных (прозрачных) соединений»

9.1.4. Оптические усилители

Сетевые элементы для восстановления мощности сигналов в оптических каналах называются оптическими усилителями. В отличие от других сетевых элементов они менее сложные, малогабаритные, обеспечивают минимальное потребление электрической энергии, но обязательно оснащаемые средствами дистанционного мониторинга и, при необходимости, средствами управления (переключения на резерв, изменения коэффициента усиления и др.).

В структуру сетевого элемента «Оптический усилитель» входят (рис. 9.8): два разнонаправленных оптических усилителя OA (эрбиевые, рамановские, комбинированные и др.); устройства электропитания и стабилизации питающих токов накачки лазеров; контроллер для мониторинга и управления с интерфейсами для подключения сервисного канала, локального мониторинга функций усилителей, служебной связи и сигнализации. При построении одноволоконной системы передачи с разделением спектральных каналов по полосам оптических диапазонов, например, по полосам C и L, в сетевом элементе может использоваться один оптический усилитель на обе полосы и все остальные названные выше вспомогательные компоненты. Сетевые элементы «Оптические усилители» могут дополняться компенсаторами хроматической дисперсии прилегающих участков оптического кабеля. При этом компенсаторы могут размещаться как со стороны приема (посткомпенсация), так и со стороны передачи (предкомпенсация). Использование посткомпенсатора снижает уровень мощности на входе усилителя и практически снижает OSNR на выходе. Предкомпенсатор не снижает OSNR на выходе усилителя, но может создать нелинейные помехи в случае использования компенсирующего волокна с меньшим диаметром сердцевины, большой протяженности (до 10 км) и при максимальной мощности всех спектральных каналов (около 50 мВт). В составе оптических усилителей OA могут применяться оптические эквалайзеры, которые выравнивают уровни

297

мощности сигналов в оптических каналах, что позволяет достигать равномерного соотношения OSNR.

Оптический сервисный канал на волне λOSC доступен в каждом сетевом элементе с каждой из сторон передачи благодаря использованию направленных селективных ответвителей и завершается в транспондере OSC. Передача служебных сообщений мониторинга и управления происходит по протоколам

Ethernet, TCP/IP и др.

Рис. 9.8. Структура оптического сетевого элемента «Оптический усилитель»

9.2. Структуры пассивных оптических сетевых элементов и их функции

Пассивные оптические сетевые элементы отличаются предельной простотой построения, но при этом выполняют важные сетевые самостоятельные функции независимо от активных сетевых элементов.

9.2.1. Пассивные оптические разветвители

Пассивные оптические разветвители (рис. 9.9) служат для равномерного и неравномерного по мощности деления одноканального или многоканального (состоящего из ряда спектральных каналов) сигналов, например, в пассивных оптических сетях доступа с когерентным приемом на скорости 100 Гбит/с. Также разветвители могут быть селективными, т. е. на выходы могут проходить различные диапазоны волн, например, диапазоны S и С.

298

Рис. 9.9. Структура оптического разветвителя (а) и его реализация (б)

Кроме того, эти устройства могут использоваться для объединения оптических сигналов, разделенных по длине волны или оптических сигналов, передаваемых на одной волне, но с разделением по времени.

Такимобразом,этипростыесетевыеэлементымогутслужитьмультиплексорами идемультиплексорамиоптическихканалов,поддерживаяфункциишироковещания.

9.2.2. Компенсаторы хроматической дисперсии

Компенсаторы хроматической дисперсии, реализуемые в качестве сетевых элементов промежуточных станций (модуль компенсации, рис. 9.10), не входящих в состав других видов оборудования, сетевых элементов, используются для устранения накопления дисперсионных искажений волоконно-оптических линий средней (на волокнах G.652/655 до 120 км) и большой протяженности (на волокнах G.652/655 до 400 км) в широком диапазоне передачи, например, 1530–1625 нм, в отличие от компенсаторов дисперсии в составе оборудования транспондеров отдельных оптических каналов, у которых достигнутые дистанции до 4000 км на отдельных узких диапазонах волн (например, в полосе волн 0,4–0,8 нм). Вносимые потери модулем HDCM для оптической мощности до 16 дБ на расстоянии до 400 км позволяют использовать его без дополнительных оптических усилителей на линиях с DWDM.

Рис. 9.10. Модуль компенсации дисперсии HDCM1

1 URL: http://optokon.ua (дата обращения: 27.01.2015).

299

9.2.3. Интерливинговые фильтры (диапазонные разветвители)

Интерливинговые фильтры (рис. 9.11) при построении городских (метропольных), местных сетей и сетей доступа с оптическими каналами DWDM позволяют разделять и объединять группы оптических спектральных каналов с различным интервалом частот (от 100–200 ГГц до 12,5–25 ГГц) и вносимыми потерями мощности до 3,5 дБ1.

Рис. 9.11. Элемент Маха–Зендера интерливингового фильтра

Деление на отдельные волны и на группы волн может быть симметричным и несимметричным (рис. 9.12).

При малых габаритах (рис. 9.13) и отсутствии энергообеспечения приборы могут использоваться в качестве самостоятельных сетевых элементов с фиксированной настройкой на диапазоны волн с определенным числом спектральных каналов (пример на рис. 9.12, б, в) деление 1 и 4, 2 и 2) и количеством выходов/входов (2, 4, 8 и т. д.).

Рис. 9.12. Варианты сетевых решений по разделению (и объединению) отдельных волн и диапазонов волн в интерливинговых сетевых элементах

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

300