Тренды: Оптические сети: направление развития
Терабитные суперканалы и варианты архитектуры с многоуровневой коммутацией предоставляют возможность оптимально распределить ёмкость и повысить эффективность сети в соответствии с динамикой ее роста.
Chris Champion, вице-президент по продажам в регионе EMEA, Infinera
Ежегодно производится около 150 миллионов километров нового оптоволокна, а совокупная протяженность существующих с 1997 года оптоволовонных сетей многократно превышает это количество. Сетевые операторы должны обеспечить большой возврат инвестиций в
развертывание оптоволоконных сетей, и обеспечить готовность сетевого оборудования к требованиям будущего, учитывая большой рост спроса на пропускную свойство.
В опорных сетях уже достигнуты большие удачи за счет миграции с 10 Гбит/с на оптические волны100 Гбит/с, снабжающие пропускную свойство 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. Но прогнозы относительно увеличения пропускной свойстве сети уже говорят, что емкости кроме того на уровне 8 Тбит/с на волокно скоро будет уже не хватает.
Более того, эксплуатационные затраты на развёртывание таковой громадной ёмкости с шагом в 100G смогут быть высокими. Операторы сети должны быть готовы к невиданному ранее росту требований к соответственному повышению и ёмкости эксплуатационной эффективности, дабы обеспечить своевременное удовлетворение потребности со стороны клиентов самоё гибким и экономически действенным методом.
В данной статье разъясняется, как оптические сети нового поколения смогут заменить существующую твёрдую структуру каналов эластичной сетью оптических суперканалов с переменной шириной полосы пропускания. Внедрив суперканалы терабитного уровня, операторы смогут удовлетворить соответствующие требования к дальности передачи и типу модуляции, благодаря программной коммутации оптических каналов.
Действенное применение полосы пропускания
Дабы самый действенно применять спектральную емкость волокна и наряду с этим снизить капитальные затраты, в большинстве оптических сетей сетей и городских связи дальней связи используется разработка мультиплексирование по длине волны повышенной плотности (DWDM) для передачи нескольких волн по одному волокну. МСЭ стандартизировал фиксированный замысел каналов (DWDM) со встроенными резервными полосами частот между всеми оптическими каналами для мультиплексирования и дальнейшей маршрутизации и демультиплексирования отдельных волн, и для фильтрации волн в конечной точке. Эти резервные полосы частот занимают до 25% спектра, что свидетельствует некую утрату ёмкости.
Отрасль на данный момент деятельно мигрирует на архитектуры, базирующиеся на оптических суперканалах, каковые значительно шире, чем классические 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 продемонстрировано различие: слева – волны 12 х 100G с применением стандартной сетки с резервными полосами, выделенными красным цветом.
Так, 1,2 Тбит/с пропускной способности, требуемой для передачи, занимает 600 ГГц оптического спектра. Справа – суперканал эквивалентой емкости с множеством несущих частот, кроме этого с волнами 12 х 100G. Потому, что суперканал коммутируется либо мультиплексируется/демультиплексируется полностью, никаких внутренних резервных полос не требуется, не считая 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 нужного оптического спектра на 23% (таким же образом вы, к примеру, экономите собственные средства, беря одну экономичную упаковку товара вместо двенадцати отдельных упаковок). С позиций оптического канала, сэкономленная часть спектра — это отличие между двенадцатью дискретными каналами 50 ГГц и одним суперканалом 462,5 ГГц.
Выше обрисован всего один пример, поскольку суперканалы смогут быть внедрены множеством вторых способов, снабжая емкость до 24 Тбит/с на волокно. На Рис.2 продемонстрированы другие методы реализации суперканала.
Рис.2. Варианты внедрения суперканала
Одноволновый суперканал слева самый несложен во внедрении и требует мельчайшее количество компонентов, но для помощи 385 Гбод ему нужен ультрабыстрая микросхема, которая не будет доступан, возможно, еще лет 8 либо около того.
Одноволновый суперканал кроме этого
не отличается гибкостью при распределении либо маршрутизации полосы пропускания с меньшей степенью гранулярности, поскольку складывается из одной неделимой волны.
Двухволновый суперканал на рисунке в центре чуть посложнее: требуемое количество компонентов всего вдвое больше, но ему опять-таки требуется электроника на 192 Гбод, появление которой не ожидается в последующие 5 лет. Он кроме этого накладывает кое-какие ограничения, но разрешает сконфигурировать и обработать две волны с выбором одного интегрированного канала либо двух отдельных каналов.
12-волновый суперканал, складывающийся из двенадцати волн по 100G и продемонстрированный справа, вправду требует в двенадцать раза больше компонентов если сравнивать с одноволновым вариантом, но наряду с этим трудится на скоростях, каковые осуществимы при применении современных кремниевых полупроводников. Он кроме этого снабжает более высокую степень гибкости, потому, что отдельные волны смогут комбинироваться при любой перестановке групп каналов, а разные форматы модуляции возможно использовать к каждой дискретной волне, дабы ещё больше снизить капитальные затраты.
Большая часть сетевых операторов, вероятнее, смирились бы с подобным увеличением сложности архитектуры , дабы добиться увеличения емкости сети на данный момент, нежели стали бы ожидать пара лет в надежде на появление более несложного ответа.
Но, оптическая интеграция делает вероятным внедрение всех нужных компонентов для реализации суперканала терабитного масштаба на базе множества несущих частот на паре оптических интегральных схем (Photonic Integrated Circuits, PIC), делающих, соответственно, функцию приёма и передачи.
Оптические ИС третьего поколения, поддерживающие суперканалы 5 х 100G, совместимые с сеткой частот МСЭ-Т, употребляются в отрасли уже больше 2 лет. Они реализуют более чем 600 оптических функций на паре чипов, каковые способны заменить более чем 100 дискретных оптических компонентов и более 250 оптоволоконных соединений, причем снабжая большое повышение плотности, понижение электропотребление, и улучшение отказоустойчивости и показателей тепловыделения.
Так, оптические ИС (PIC) уже способны сократить количество компонентов до показателей, характерных при применения одноволновых ответов, и предлагают самоё практичным подход к масштабированию оптоволоконных сетей с учетом требований будущего.
Оптимальный баланс между спектральной эффективностью и дальностью передачи
Форматы модуляции более большого порядка действеннее применяют спектр, но в основном подвержены помехам и искажениям и не смогут обеспечивать высокой степени надежности при передаче сигнала на громадные расстояния.
К примеру, квадратурно-амплитудная модуляция типа 16QAM c кодировкой 4 бит на знак спектрально вдвое действеннее квадратурной фазовой манипуляции (QPSK) с кодировкой 2 бит на знак, но дальность передачи в этом случае образовывает приблизительно четверть от возможностей QPSK.
Возможность поволновой модуляции разрешила бы оптимизировать любой канал по спектральной дальности эффективности и соотношению передачи и так обеспечить громадную экономию на издержках, но для этого потребовалась бы эластичная сетка частот для помощи каналов с изменяемой полосой пропускания. Последняя спецификация G.694.1 МСЭ-Т довольно WDM-каналов (мультиплексирование со спектральным разделением каналов) выяснила эластичную сетку частот, имеющую гранулярность 12,5 ГГц, вместо большей ширины 50 ГГц в стандартной сетке. Эластичная сетка разрешает провайдеру определять ширину агрегатного суперканала с шагом в 12,5 ГГц для помощи любой комбинации оптических несущих, скоростей передачи и форматов модуляции данных, дабы отыскать оптимальный баланс между дальностью передачи и спектральной эффективностью оптических сигналов.
Также, эластичная сетка частот делает вероятным распределение промежутков между несущими и модифицировать форматы модуляции для удовлетворения изменяющихся потребностей Это разрешает действенно применять ресурсы в ответ на колебания количеств передаваемого трафика. За последние двадцать лет стандарты скорости передачи данных и форматы модуляции совокупностей оптической передачи были изменены, но повышать скорость передачи данных, сохраняя наряду с этим дальность передачи и спектральную эффективность, делается все сложнее. Эластичная сетка частот разрешит сегодняшним операторам развертывать линейные совокупности, каковые потом смогут обеспечить помощь фактически любого типа суперканала и удовлетворить требования к сети в будущем, что разрешит оправдать капитальные затраты на данный момент.
Многоуровневая коммутация
При проектировании сетей необходимо учитывать не только ёмкость сети, но и комбинацию типов сервисов. Не обращая внимания на то, что линейная скорость передачи превышает 100 Гбит/с, более чем 95% сервисов со стороны клиента составляют сервисы 10G и меньше, причём для агрегирования этих сервисов в канал 100G употребляются отдельные мукспондеры. Но мукспондеры 100G не дают какой-либо возможности агрегировать либо коммутировать трафик низкоскоростных сервисов в пределах канала либо между разными 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 методом агрегирования клиентских сервисов в линейные соединения, но по мере удовлетворения спроса имеет больше смысла применять оптическую коммутацию для понижения затрат. Оптическая сеть нового поколения обязана поддерживать архитектуру многоуровневой коммутации, интегрирующей цифровую и оптическую коммутацию с возможностью переконфигурирования. Это объединяет преимущества цифровой коммутации для оптимизации передачи низкоскоростных оптической коммутации и сервисов для гибкости простоты архитектуры и обеспечения эксплуатации для передачи экспресс-трафика.
Рис.3. Оптическая, цифровая и многоуровневая коммутация.
Рис.3 иллюстрирует отличие. При только оптической коммутации мукспондеры агрегируют низкоскоростной трафик в каналы с большей пропускной свойством, которыекоммутируются как единое целое без возможности ввода/вывода трафик на промежуточных узлах. Этот подход весьма действен при условии достаточного заполнения каналов со стороны магистрали.
При только цифровой коммутации низкоскоростной трафик действенно агрегируется в каналы со стороны магистрали, но целый трафик сервисов маршрутизируется на промежуточных узлах, даже если он ввод/вывод на этих узлах не происходит. Цифровая коммутация действенна для заполнения каналов со ввода вывода и стороны/магистрали трафика из этих каналов в нескольких узлах ввода/вывода.
Посредством многоуровневой коммутации цифровая коммутация может действенно агрегировать трафик в каналы со стороны магистрали чтобы повысить эффективность расходования пропускной свойстве, и эти каналы после этого возможно напрямую направить по оптическому соединению на те узлы, где происходит ввод/вывод трафика клиентов. Так, в двух экстремальных сценариях возможно ограничиваться минимальным числом каналов: при недостаточного заполнения каналов при низкой потребности в пропускной свойстве, либо при высокой потребности в пропускной свойстве, при которой возможно действенно заполненить всю полосу пропускания.
Возможность
Всевозрастающий спрос на дополнительную полосу пропускания в оптических сетях заставляет производителейразвивать новые разработки высокими темпами, дабы повысить коэффициент и спектральную эффективность применение полосы пропускания, понижая наряду с этим совокупную цена передачи бита информации. Суперканалы с множественными несущими (базирующиеся на эластичной сетке частот, которая поддерживает каналы с разной пропускной свойством) увеличивают емкость методом удаления неэффективных резервных полос, применяемых в фиксированной сетке частот, и разрешения применения разных форматов модуляции применительно к отдельным волнам, что разрешает операторам конфигурировать собственные сети с целью получения оптимального соотношения между дальностью передачи и спектральной эффективностью. Квадратурная амплитудная модуляция типа 16QAM может обеспечить до 24 Тбит/с ёмкости на волокно, но за счет намного меньшей дальности передачи сигнала если сравнивать с квадратурной фазовой манипуляцией QPSK.
Для помощи суперканалов с множественными несущими требуется эластичная сетка частот, разрешающая распределять полосу пропускания канала либо емкость коммутации по мере необходимости для каждого отдельного суперканала с изменяемой пропускной свойством.
Архитектура сети на базе эластичной сетки частот поддерживает выделение дополнительной полосы пропускания в С-диапазоне шагом в 12,5 ГГц, разрешая действенно применять С-диапазон для каналов как на базе фиксированной, так и на базе эластичной сетки частот.
С целью достижения большой эффективности передачи данных посуперканалам, имеющих намного большую пропускную свойство, чем каналы 100G с фиксированной сеткой частот, нужна архитектура, в которой употребляется многоуровневая коммутация с интеграцией оптического и цифрового уровней. Эта архитектура повышает эффективность применения полосы пропускания суперканала, снабжая 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 посредством оптической коммутации на базе эластичной сетки частот. Полученный в следствии «оптический уровень данных» кроме этого идеально подходит для применения интегрированного уровня управления, будь то разработка GMPLS (Обобщённая многопротокольная коммутация по меткам) сейчас либо уровень управления сетью SDN (программно определяемая сеть) операторского класса в будущем.
++
подробнее о ВОЛС
подробнее о DWDM
подробнее о 100G
о компании Infinera
++
© Алексей Бойко, MForum.ru
