Chris Champion, вице-президент по продажам в регионе EMEA, Infinera

Каждый год производится около 150 миллионов километров нового оптоволокна, а совокупная длина существующих с 1997 года оптоволовонных сетей во много раз превышает это количество. Сетевые операторы должны обеспечить максимальный возврат инвестиций в

развертывание оптоволоконных сетей, а также обеспечить готовность сетевого оборудования к требованиям будущего, учитывая колоссальный рост спроса на пропускную способность.

В опорных сетях уже достигнуты значительные успехи за счет миграции с 10 Гбит/с на оптические волны100 Гбит/с, обеспечивающие пропускную способность на уровне 8 Тбит/с и повышенную ёмкость на стандартной сетке частот ITU-T (МСЭ-Т) G.694.1 50 ГГц в С-диапазоне на частоте. Однако прогнозы относительно увеличения пропускной способности сети уже говорят, что емкости даже на уровне 8 Тбит/с на волокно вскоре будет уже недостаточно. Более того, эксплуатационные затраты на развёртывание такой большой ёмкости с шагом в 100G могут быть высокими. Операторы сети должны быть готовы к невиданному ранее росту требований к ёмкости и соответственному повышению эксплуатационной эффективности, чтобы обеспечить своевременное удовлетворение потребности со стороны клиентов наиболее гибким и экономически эффективным способом.

В данной статье объясняется, каким образом оптические сети нового поколения могут заменить существующую жесткую структуру каналов гибкой сетью оптических суперканалов с переменной шириной полосы пропускания. Внедрив суперканалы терабитного уровня, операторы смогут удовлетворить соответствующие требования к типу модуляции и дальности передачи, благодаря программной коммутации оптических каналов.

Эффективное использование полосы пропускания

Чтобы наиболее эффективно использовать спектральную емкость волокна и при этом снизить капитальные затраты, в большинстве городских сетей связи и оптических сетей дальней связи применяется технология мультиплексирование по длине волны повышенной плотности (DWDM) для передачи нескольких волн по одному волокну. МСЭ стандартизировал фиксированный план каналов (DWDM) со встроенными резервными полосами частот между всеми оптическими каналами для мультиплексирования и демультиплексирования и дальнейшей маршрутизации отдельных волн, а также для фильтрации волн в конечной точке. Эти резервные полосы частот занимают до 25% спектра, что означает некоторую потерю ёмкости.

Отрасль сейчас активно мигрирует на архитектуры, базирующиеся на оптических суперканалах, которые гораздо шире, чем традиционные каналы сети МСЭ-Т (ITU-T), но не имеют внутренних резервных полос между каналами.

Рис.1. Защитные полосы DWDM и требования к спектру

На Рис.1 показано различие: слева – волны 12 х 100G с использованием стандартной сетки с резервными полосами, выделенными красным цветом. Таким образом, 1,2 Тбит/с пропускной способности, требуемой для передачи, занимает 600 ГГц оптического спектра. Справа – суперканал эквивалентой емкости с множеством несущих частот, также с волнами 12 х 100G. Поскольку суперканал коммутируется или мультиплексируется/демультиплексируется целиком, никаких внутренних резервных полос не нужно, кроме тех, что находятся у нижней и верхней границы суперканала (обозначены красным цветом). Так что для получения такой же емкости (1,2 Тбит/с) требуется всего 462,5 ГГц, т.е. происходит сокращение необходимого оптического спектра на 23% (таким же образом вы, например, экономите свои средства, покупая одну экономичную упаковку товара вместо двенадцати отдельных упаковок). С точки зрения оптического канала, сэкономленная часть спектра - это разница между двенадцатью дискретными каналами 50 ГГц и одним суперканалом 462,5 ГГц.

Выше описан всего один пример, так как суперканалы могут быть внедрены множеством других способов, обеспечивая емкость до 24 Тбит/с на волокно. На Рис.2 показаны альтернативные способы реализации суперканала.

Рис.2. Варианты внедрения суперканала

Одноволновый суперканал слева наиболее прост во внедрении и требует наименьшее количество компонентов, но для поддержки 385 Гбод ему необходим ультрабыстрая микросхема, которая не будет доступан, вероятно, еще лет 8 или около того. Одноволновый суперканал также

не отличается гибкостью при распределении или маршрутизации полосы пропускания с меньшей степенью гранулярности, так как состоит из одной неделимой волны.

Двухволновый суперканал на рисунке в центре чуть посложнее: требуемое количество компонентов всего в два раза больше, но ему опять-таки требуется электроника на 192 Гбод, появление которой не ожидается в последующие 5 лет. Он также накладывает некоторые ограничения, но позволяет сконфигурировать и обработать две волны с выбором одного интегрированного канала или двух отдельных каналов.

12-волновый суперканал, состоящий из двенадцати волн по 100G и показанный справа, действительно требует в двенадцать раз больше компонентов по сравнению с одноволновым вариантом, но при этом работает на скоростях, которые осуществимы при использовании современных кремниевых полупроводников. Он также обеспечивает более высокую степень гибкости, поскольку отдельные волны могут комбинироваться при любой перестановке групп каналов, а различные форматы модуляции можно применять к каждой дискретной волне, чтобы ещё больше снизить капитальные затраты.

Большинство сетевых операторов, скорее всего, смирились бы с подобным повышением сложности архитектуры , чтобы добиться повышения емкости сети сейчас, нежели стали бы ждать несколько лет в надежде на появление более простого решения. Однако, оптическая интеграция делает возможным внедрение всех необходимых компонентов для реализации суперканала терабитного масштаба на базе множества несущих частот на паре оптических интегральных схем (Photonic Integrated Circuits, PIC), выполняющих, соответственно, функцию передачи и приема.

Оптические ИС третьего поколения, поддерживающие суперканалы 5 х 100G, совместимые с сеткой частот МСЭ-Т, используются в отрасли уже больше 2 лет. Они реализуют свыше 600 оптических функций на паре чипов, которые способны заменить свыше 100 дискретных оптических компонентов и более 250 оптоволоконных соединений, причем обеспечивая значительное увеличение плотности, снижение потребление электроэнергии, а также улучшение показателей тепловыделения и отказоустойчивости. Таким образом, оптические ИС (PIC) уже способны сократить количество компонентов до показателей, характерных в случае применения одноволновых решений, и предлагают наиболее практичным подход к масштабированию оптоволоконных сетей с учетом требований будущего.

Оптимальный баланс между дальностью передачи и спектральной эффективностью

Форматы модуляции более высокого порядка эффективней используют спектр, но в большей степени подвержены искажениям и помехам и не могут гарантировать высокой степени надежности при передаче сигнала на большие расстояния. Например, квадратурно-амплитудная модуляция типа 16QAM c кодировкой 4 бит на символ спектрально в два раза эффективней квадратурной фазовой манипуляции (QPSK) с кодировкой 2 бит на символ, но дальность передачи в этом случае составляет примерно четверть от возможностей QPSK.

Возможность поволновой модуляции позволила бы оптимизировать каждый канал по соотношению дальности передачи и спектральной эффективности и таким образом обеспечить большую экономию на издержках, но для этого потребовалась бы гибкая сетка частот для поддержки каналов с изменяемой полосой пропускания. Последняя спецификация G.694.1 МСЭ-Т относительно WDM-каналов (мультиплексирование со спектральным разделением каналов) определила гибкую сетку частот, имеющую гранулярность 12,5 ГГц, вместо большей ширины 50 ГГц в стандартной сетке. Гибкая сетка позволяет провайдеру определять ширину агрегатного суперканала с шагом в 12,5 ГГц для поддержки любой комбинации оптических несущих, форматов модуляции и скоростей передачи данных, чтобы найти оптимальный баланс между спектральной эффективностью и дальностью передачи оптических сигналов.

Кроме этого, гибкая сетка частот делает возможным распределение интервалов между несущими и модифицировать форматы модуляции для удовлетворения меняющихся потребностей Это позволяет эффективно использовать ресурсы в ответ на колебания объемов передаваемого трафика. За последние двадцать лет стандарты скорости передачи данных и форматы модуляции систем оптической передачи претерпели значительные изменения, но повышать скорость передачи данных, сохраняя при этом спектральную эффективность и дальность передачи, становится все сложнее. Гибкая сетка частот позволит сегодняшним операторам развертывать линейные системы, которые впоследствии смогут обеспечить поддержку практически любого типа суперканала и удовлетворить требования к сети в будущем, что позволит оправдать капитальные затраты в настоящее время.

Многоуровневая коммутация

При проектировании сетей нужно учитывать не только ёмкость сети, но и комбинацию типов сервисов. Несмотря на то, что линейная скорость передачи превышает 100 Гбит/с, свыше 95% сервисов со стороны клиента составляют сервисы 10G и меньше, причём для агрегирования этих сервисов в канал 100G используются отдельные мукспондеры. Но мукспондеры 100G не дают какой-либо возможности агрегировать или коммутировать трафик низкоскоростных сервисов в пределах канала или между различными каналами. Это обуславливает низкую загруженность организованных каналов и, следовательно, необходимости развертывания большего количества каналов 100 G, закладывая в архитектуру сети дополнительные «издержки на мукспондеры».

Архитектура на базе цифровой коммутации решает эту проблему путем агрегирования клиентских сервисов в линейные соединения, но по мере удовлетворения спроса имеет больше смысла использовать оптическую коммутацию для снижения затрат. Оптическая сеть следующего поколения должна поддерживать архитектуру многоуровневой коммутации, интегрирующей цифровую и оптическую коммутацию с возможностью переконфигурирования. Это объединяет преимущества цифровой коммутации для оптимизации передачи низкоскоростных сервисов и оптической коммутации для обеспечения простоты эксплуатации и гибкости архитектуры для передачи экспресс-трафика.

Рис.3. Оптическая, цифровая и многоуровневая коммутация.

Рис.3 иллюстрирует разницу. При исключительно оптической коммутации мукспондеры агрегируют низкоскоростной трафик в каналы с большей пропускной способностью, которыекоммутируются как единое целое без возможности ввода/вывода трафик на промежуточных узлах. Данный подход очень эффективен при условии достаточного заполнения каналов со стороны магистрали. При исключительно цифровой коммутации низкоскоростной трафик эффективно агрегируется в каналы со стороны магистрали, но весь трафик сервисов маршрутизируется на промежуточных узлах, даже если он ввод/вывод на этих узлах не происходит. Цифровая коммутация эффективна для заполнения каналов со стороны магистрали и ввода/вывода трафика из этих каналов в нескольких узлах ввода/вывода.

С помощью многоуровневой коммутации цифровая коммутация может эффективно агрегировать трафик в каналы со стороны магистрали для повышения эффективности расходования пропускной способности, и эти каналы затем можно напрямую направить по оптическому соединению на те узлы, где происходит ввод/вывод трафика клиентов. Таким образом, в двух экстремальных сценариях можно довольствоваться минимальным количеством каналов: в случае недостаточного заполнения каналов при низкой потребности в пропускной способности, или в случае очень высокой потребности в пропускной способности, при которой можно эффективно заполненить всю полосу пропускания.

Перспектива

Постоянно растущий спрос на дополнительную полосу пропускания в оптических сетях заставляет производителейразвивать новые технологии высокими темпами, чтобы повысить спектральную эффективность и коэффициент использование полосы пропускания, понижая при этом совокупную стоимость передачи бита информации. Суперканалы с множественными несущими (базирующиеся на гибкой сетке частот, которая поддерживает каналы с различной пропускной способностью) увеличивают емкость путем удаления неэффективных резервных полос, используемых в фиксированной сетке частот, и разрешения использования различных форматов модуляции применительно к отдельным волнам, что позволяет операторам конфигурировать свои сети с целью получения оптимального соотношения между спектральной эффективностью и дальностью передачи. Квадратурная амплитудная модуляция типа 16QAM может обеспечить до 24 Тбит/с ёмкости на волокно, но за счет гораздо меньшей дальности передачи сигнала по сравнению с квадратурной фазовой манипуляцией QPSK.

Для поддержки суперканалов с множественными несущими требуется гибкая сетка частот, позволяющая распределять полосу пропускания канала или емкость коммутации по мере необходимости для каждого отдельного суперканала с изменяемой пропускной способностью.

Архитектура сети на базе гибкой сетки частот поддерживает выделение дополнительной полосы пропускания в С-диапазоне шагом в 12,5 ГГц, позволяя эффективно использовать С-диапазон для каналов как на базе фиксированной, так и на базе гибкой сетки частот.

Для достижения максимальной эффективности передачи данных посуперканалам, имеющих значительно большую пропускную способность, чем каналы 100G с фиксированной сеткой частот, необходима архитектура, в которой используется многоуровневая коммутация с интеграцией оптического и цифрового уровней. Эта архитектура повышает эффективность использования полосы пропускания суперканала, обеспечивая агрегацию низкоскоростных цифровых сервисов в оптической транспортной сети как в пределах одного суперканала, так и между ними и оптимизирует маршрутизацию суперканала между конечными пунктами маршрута с помощью оптической коммутации на базе гибкой сетки частот. Полученный в результате «оптический уровень данных» также идеально подходит для использования интегрированного уровня управления, будь то технология GMPLS (Обобщённая многопротокольная коммутация по меткам) сегодня или уровень управления сетью SDN (программно определяемая сеть) операторского класса в будущем.

++ 
подробнее о ВОЛС 
подробнее о DWDM 
подробнее о 100G 
о компании Infinera 
++