Fokin_Kogerentnye_opticheskie_seti_

но во времени и в пространстве соединений достаточно длительный период и динамично, т. е. изменением структуры предоставляемых ресурсов под информационный трафик по запросам на сеансы с ограниченной длительностью и изменяемыми скоростями передачи. Для поддержки статической и динамической маршрутизации используются различные алгоритмы и протоколы с назначением ресурсов оптических сетей, например, с назначением когерентных оптических каналов на различные требования по OSNR, общими участками, перепри-

емами с коммутацией и без нее (Single-Hop Grooming WDM, Multi-Hop Grooming WDM – односкачковый (одноступенчатый) и многоскачковый (многоступенчатый) варианты назначения оптических каналов в сети со спектральным мультиплексированием) и т. п.[108, 109].

Помимо общих вопросов маршрутизации оптических соединений при проектировании сети необходимы решения в алгоритмах составления маршрутов с учетом специфики организации оптических когерентных каналов, которая связана с ограничениями на OSNR и полосы частот канала, накоплениями линейных искажений оптических сигналов в волоконных световодах и в ROADM/PXC, накоплениями нелинейных помех и т. д.

Исходной метрикой для построения алгоритмов составления маршрутов являются: физическая связность (оптические волокна между узлами сети); количество требуемых длин волн; вероятность блокировки соединений (или ограничения на полосу пропускания) к общему числу соединений; количество оптических соединений (волокон, спектральных каналов), обрабатываемых в узлах маршрутизации. При этом от алгоритмов требуется простота в реализации и минимальная вычислительная сложность.

11.1.Статическая маршрутизация для оптической сети

Врамках решения задач grooming для оптической сети с фиксированными во времени (статичными, static path) маршрутами решаются алгоритмические задачи маршрутизации и назначения длин волн (от англ. RWA, Routing and Wavelength Assignment или Static, SRWA) для организуемых оптических соединений (световых путей, lightpath) с их защитой или без таковой. Статично создаваемые оптические соединения должны отвечать определенному набору требований, в том числе по оптимизации. К общим требованиям для оптического соединения типа «точка-точка» относят:

─соответствие полосы пропускания заявленной скорости передачи для информационного трафика и симметрия соединения;

─выполнение заданного коэффициента ошибок;

─поддержка коммутируемого соединения сколь угодно продолжительно

сзаданными характеристиками;

─реализация возможности использования одних и различных волн на различных участках коммутируемого соединения, обусловленного ограниченным числом волн DWDM;

331

─ реализация возможности по организации защитного соединения с фиксированным временем переключения (обычно до 50 мс).

Для оптических соединений мультикастингового назначения «точка-много точек» в дополнении требований может быть асимметрия организуемых каналов по пропускной способности.

Многие наработки алгоритмов RWA классифицируются как двухступенчатые процессы, т. е. с первой ступенью вычисления маршрута(-ов) и второй ступенью – назначения маршрута(-ов). При этом каждая ступень может содержать два компонента: поиск и выбор по определенным заранее критериям [110].

Основная задача RWA формулируется в следующем порядке: известно множество оптических или световых путей, которые необходимо реализовать как соединения типа «точка-точка» и известно ограниченное число оптических волн на всех участках оптической сети (с определенными ограничениями по скорости передачи трафика). Необходимо определить маршруты возможных соединений и длины волн, которые могут быть назначены для световых путей. При этом требуется использовать минимальное количество необходимых длин волн или определена минимальная вероятность блокировки световых путей. В качестве критерия установления (назначения) световых путей может быть выбран критерий наименьшей протяженности соединения или наикротчайшего пути.

Задача RWA может решаться методами теории графов, например, методом окрашивания графа для выбранных маршрутов. Каждому направлению с какимто количеством путей соответствует свой граф с определенным весом (интегрированной оценкой). Так могут быть установлены пути с минимальным количеством волн, с минимальными расстояниями для соединений, с комбинированными оценками по количеству волн и расстояний.

Для реализации алгоритма маршрутизации определяются его функциональные элементы, которые могут быть реализованы программой вычислений и позволят ввести полную или частичную автоматизацию по поиску, выбору и назначению оптического пути (рис. 11.2). Функция выбора используется для К – кротчайших путейпоподходящемупорядкувыбораиправилувыборапоследовательногоалгоритма.

Рис. 11.2. Функциональные элементы алгоритмов маршрутизации

332

Для других алгоритмов, т. е. эвристического и оптимального не требуется разбиение выбора. Сочетание алгоритмов эвристического и оптимального образуют комбинационный алгоритм.

Для реализации алгоритма назначения волн определяются его элементы, как и для алгоритма маршрутизации. Назначение длины волны может быть определено в терминах поиска и выбора. Поиск прост, если любая доступная волна может быть назначена в соответствии с выбранным маршрутом. Однако выбор из определенного числа доступных волн, которые могут сделать наиболее высоким коэффициент использования является проблемой. Подобно функциональным элементам алгоритмов маршрутизации по элементам алгоритмы назначения классифицируют на последовательные и комбинированные (эвристические и оптимальные). Для последовательного выбора определяется порядок и правило выбора из известного набора (рис. 11.3).

Описание каждого функционального элемента назначения можно представить в следующем порядке:

для последовательного алгоритма определяется порядок выбора: изначально наибольшее число соседних маршрутов с попыткой назначить длину волны; изначально наибольшее число доступных волн в маршруте с сортировкой этих волн; изначально по наибольшему трафику с сортировкой маршрутов в порядке требования трафика; изначально самые длинные маршруты с учетом числа скачков; изначально кратчайшие маршруты с минимальным числом скачков; произвольно (случайно) с сортировкой маршрутов (по времени освобождения, по порядку исчисления, по доступности и т. д.);

Рис. 11.3. Функциональные элементы алгоритмов назначения волн

333

правило выбора при назначении маршрута для последовательного алгоритма: произвольно, любую волну; первую доступную (подходящую) волну; наиболее используемую волну; наименее используемую волну;

для эвристического и оптимального алгоритмов выбора (комбинированного выбора): оптимальный выбор производится полным (исчерпывающим) поиском (все возможные варианты), что дает наилучшие результаты для окрашивания графа (назначения волны), но назначение затратно вычислительными операциями и сложностью работы с большими графами; эвристические алгоритмы менее затратны на вычисления и решают задачи окрашивания графа (назначения волны) на основе имеющегося опыта и при этом разделяются на генетические алгоритмы на основе сложных комбинационных задач оптимизации и алгоритмы с модельной «закалкой» также сложной задачи оптимизации с преодолением локальных минимумов при оптимизации, и алгоритмов запретов (TABU), в которых запрещаются некоторые ходы поиска минимума [111].

Среди наиболее известных алгоритмов теории графов, часто используемый

вкачестве основы других алгоритмов RWA является алгоритм Дейкстры [112].

11.2. Динамическая маршрутизация для оптической сети

Динамическая маршрутизация DRWA (Dynamic Routing and Wavelength Assignment) в оптической сети позволяет преодолеть возможные блокировки на использование ресурсов сети благодаря непрерывному сбору информации о состоянии ресурсов, их назначению, использованию и высвобождению для нового назначения. При этом особенностью динамического режима маршрутизации и назначения волн для когерентных оптических каналов является необходимость существования только оптического пути без преобразований волн в узлах коммутации для сохранения стабильности оптического и цифрового синхронизма.

Структура DRWA алгоритмически строится аналогично SRWA, т. е. присутствуют двухступенчатые процессы (маршрутизации и назначения), но с алгоритмами поддержки возобновляемых баз данных по всем участкам оптической сети, расчетами реальных параметров передачи канальных сигналов и минимизации блокировок соединений [113]. Во внимание принимаются возможности использования множества волоконных световодов и множества возможных оптических волн в этих волокнах. В динамических решениях в общем случае предусматриваются возможности по изменению несущих волн, но с полной регенерацией цифрового потока, что в практической реализации потребует применение большего числа транспондерных блоков с высокой стоимостью и усложненного управления.

Для реализации DRWA необходима сигнальная система, включающая в себя серверы сигнализации, протоколы сигнализации, каналы сигнальных сообщений, интерфейсы к кроссовому оптическому оборудованию, система сетевого управления. Такое решение в оптической коммутируемой сети предусмотрено международными стандартами ITU-T под общим названием «Автоматиче-

334

ски коммутируемые оптические сети» или ASON (Automatically Switched Optical Network), рекомендация G.8080/Y.1304 (02/2012), Architecture for the automatically switched optical network (рис. 11.4).

11.3. Сети ASON

Сети с автоматической коммутацией оптических каналов ASON получили достаточно широкое применение на сетях связи общего пользования во всем мире, поскольку определяют высокую эффективность использования общих ресурсов (пропускной способности волоконных световодов, оптических каналов,

цифровых соединений OTN/OTH, Ethernet PBT, TP-MPLS, SDH-NGN).

Рис. 11.4. Общая архитектура ASON по рекомендации G.8080

Основными архитектурными элементами ASON являются:

транспортная плоскость (Transport plane) с оптическими коммутатора-

ми (Optical switch);

плоскость сигнального управления (Control plane) с контроллерами со-

единений оптической сети OCC (Optical Connection Controller);

плоскость административного управления (Management plane) c встроенными функциями управления сетевыми элементами и сетью EM/NM (Element Management / Network Management);

интерфейсы: физических соединений пользовательского оборудования

(Client equipment) PI (Physical Interface); сигнального управления для пользова-

теля UNI (User to Network Interface); контроллеров сигнального управления CCI (Connection Control Interface); межсетевого взаимодействия NNI (Network to Network Interface); управления транспортной сетью NMI-T (Network Management Interface for the Transport Network); сетевого управления плоскостью сигнализации NMI-A (Network Management Interface for the ASON Control plane).

Пользовательские информационные сети могут взаимодействовать по передаче трафика через ASON благодаря обслуживанию запросов на установле-

335

ние соединений в оптической транспортной сети с помощью сигнальной системы, системы управления и пользовательских интерфейсов UNI (рис. 11.5).

Рис. 11.5. Упрощенная модель ASON

В сигнальном взаимодействии ASON используются части общего протокола многопротокольной коммутации по меткам G-MPLS (Generalized Multi-Protocol Label Switching), например, протокол резервирования ресурса – проектирования трафика RSVP-TE (Resource Reservation Protocol – Traffic Engineering), являю-

щийся составной частью спецификации UNI и NNI. Протоколом предусматриваются сообщения для обмена информацией между контроллерами сигнального управления (рис. 11.6), например, PATHmsg – используется для инициирования запроса на установление соединения, инициирования запроса на разъединение, инициирования промежуточного в направлении вызова запроса на разъединение, ответ на сообщение RESVmsg. Сообщение RESVmsg используется для ответа на запрос об установлении соединения, инициирование запроса на разъединение от получателя вызова и т. д. Предметом сигнального взаимодействия в конечном итоге является назначение волнового тракта λ – LSP (Lambda Switched Paths – коммутируемый волновой тракт) для пользовательского соединения FA (Forwarding Adjacency) с определенной полосой пропускания BW (Bandwidth). Кроме того, составной частью сигнальной системы является контроллер вычисления маршрутов возможных соединений, в котором реализуется какой-либо из алгоритмов (последовательный, эвристический, оптимальный) для определения возможностей оптических путей по полосе, OSNR и т. д.

336

Рис. 11.6. Пример установления оптических маршрутов сигнальной системой с протоколом RSVP-TE

На рис. 11.6 представлен пример двухэтапного варианта (a, b) установления оптического соединения c назначением волн для оптического тракта (λA-E, λE-D, λD-G). На каждом участке установленного соединения фиксируется таблица маршрутизации с отметкой непрозрачного оптического соединения OLSA (Opaque Link State Advertisement), т. к. в узлах производится преобразование волн с регенерацией цифрового сигнала в электронном формате.

В оптической сети ASON также важнейшая роль отводится системе административного управления, которая строится на принципах TMN

(Telecommunication Management Network), определенных стандартами ITU-T серии M.3000.

Архитектура управления ASON (рис. 11.7) предусматривает отдельные опции и интерфейсы по управлению сетью сигнализации и транспортной оптической сетью.

337

Рис. 11.7. Архитектура системы административного управления ASON

Принцип взаимодействия в сети управления основан на связи типа «Кли- ент-сервер», где в сервере сетевого управления (NMS Server) размещается про-

граммный продукт управления EJB (Enterprise JavaBeans) Manager (Java Platform, Enterprise Edition, сокращенно Java EE – набор спецификаций и соот-

ветствующей документации для языка Java, описывающей архитектуру серверной платформы для задач средних и крупных предприятий) c расширяемым языком разметки XML (от англ. eXtensible Markup Language) для описания конфигурации сети, блок с описаниями объектов управления (Objects), программа управления прерываниями Trap Manager. В клиентской части системы управления (NMS Client) находится интерфейс EJB с описанием управляемых объектов и прикладной программный интерфейс API (Application Programming Interface)

графического представления объектов сети SWT (Standard Widget Toolkit), которые необходимы для визуализации сети в системе «человек-машина».

Контрольные вопросы

1.Что представляет собой маршрутизация в оптической сети?

2.С какой целью выполняется маршрутизация в оптической сети?

3.Что такое grooming?

4.Чем реализуется маршрутизация?

338

5.Что представляет собой метрика алгоритмов маршрутизации?

6.В чем смысл статической маршрутизации?

7.Каким требованиям должны соответствовать оптические соединения?

8.Что такое RWA?

9.Что формулируется в основной задаче RWA?

10.Какими методами можно решать задачу RWA?

11.Как классифицируются алгоритмы маршрутизации?

12.Чем отличаются последовательный, эвристический и оптимальный алгоритмы маршрутизации?

13.Чем определяется назначение волн после маршрутизации?

14.Какие алгоритмы назначения используются в оптической сети?

15.Чем отличаются алгоритмы последовательный, эвристический и оптимальный для назначения волн?

16.Чем принципиально отличаются статическая и динамическая маршрутизация в оптической сети?

17.Что входит в общую архитектуру сети ASON?

18.Какие интерфейсы предусмотрены в ASON?

19.Что используется для поддержки сигнального взаимодействия в ASON?

20.Как происходит установление оптического соединения в ASON?

21.Какую роль играет система административного управления в ASON?

22.Какие компоненты входят в состав архитектуры управления ASON?

23.Чем отличаются NMS Server от NMS Client?

24.С какой целью применяется графического представления объектов сети

SWT?

339

12.ОЦЕНОЧНЫЙ РАСЧЕТ ХАРАКТЕРИСТИК ПЕРЕДАЧИ

ВОПТИЧЕСКИХ КАНАЛАХ И СЕКЦИЯХ КОГЕРЕНТНОЙ СЕТИ

ИПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ

Внастоящее время полных, достаточно подробных методик расчета оптических каналов и секций когерентных систем нет в открытой печати. В методиках расчета для DWDM каналов, приведенных в рекомендации ITU-T G.680 (07. 2007), Sup.39 (09. 2012) и в [2], не учитываются: возможности когерентного приема сигналов на скоростях 100 Гбит/с и выше, возможности электронной компенсации дисперсии, введение штрафов в зависимости от форматов модуляции оптических сигналов, шумы нелинейного происхождения и т. д. Однако ключевыми элементами расчетов и для когерентных систем остаются: расчет диаграммы уровней передачи в оптическом канале; расчет минимального оптического соотношения сигнал/шум (OSNR) для заданного коэффициента ошибок

сучетом или без учета коррекции ошибок FEC и шумов нелинейного происхождения; допустимая величина дисперсионных искажений в оптическом канале; учет поляризационно-зависимых потерь; учет штрафа по OSNR за формат оптического кодирования и некоторые другие [2].

Исходя из выше сказанного, предлагается рассмотреть оценочный расчет основных характеристик оптических каналов и секций с когерентным приемом, который представляется в следующем порядке:

─расчет диаграммы уровней с учетом всех возможных потерь оптической мощности в оптическом канале (линейные потери в волокне, в сростках волокон, в разъемных соединителях, в мультиплексорах и демультиплексорах, в оптических коммутаторах, поляризационно-зависимые потери и т. д.);

─расчет OSNR с учетом шумов спонтанной эмиссии оптических усилителей, шумов от нелинейных эффектов волоконных световодов, шумов оптических передатчиков и приемников; некогерентности детектирования, штрафов по OSNR за формат кодирования в оптическом канале, за сужение полосы оптического канала при его прохождении через OADM/ROADM/PXC;

─расчет допустимой дисперсии хроматической и поляризационной модовой от волоконно-оптической линии и оборудования оконечных и промежуточных сетевых элементов.

12.1.Расчет диаграммы уровней и OSNR

Врасчете диаграммы уровней учитываются все изменения уровней передачи оптического (-ких) канала (-лов) в терминальных мультиплексорах, в промежуточных усилителях, в мультиплексорах выделения/ввода (ROADM), в коммутаторах PXC.

Расчет диаграммы уровней терминальной станции включает в себя следующие составляющие (для схемы на рис. 12.1):

уровень мощности оптического сигнала на выходе передатчика транспондера Рпер;

340