Мультисервисные сети2

Совокупная дисперсия световода определяется соотношением:

Кроме того, многомодовое волокно еще характеризуется полосой

Наиболее важные типовые характеристики волоконных световодов приведены в табл. 3.6.

Еще одной характерной особенностью волоконных световодов является структура профиля показателя преломления сердцевины и оболочки. Примеры структур и их влияние на параметры дисперсии показаны на рис. 3.15.

Известно множество конструкций оптических кабелей. Среди них необходимо выделить кабели для сетей доступа, которые должны отвечать следующим требованиям:

относительно низкая стоимость;

требуемая полоса пропускания;

допустимое затухание на участке доступа;

простое сопряжение с источниками и приемниками излучения;

работа при различных температурах;

устойчивость к влаге, давлению, вибрациям и т.д.

Оптические кабели в сетях доступа подразделяются на объектовые, распределительные и магистральные.

Объектовые оптические кабели (абонентские) выполняются в формате 1-2 волокон (рис. 3.16).

Для распределительной и магистральной линий могут использоваться кабели модульной, ленточной и профилированной конструкций. Они отличаются емкостью и способом размещения волокон. Свободная укладка волокон позволяет компенсировать механические и термические воздействия на волокно в известных пределах нагрузок. Конструкции этих типов кабелей приведены на рис. 3.17.

Рис. 3.15. Примеры взаимосвязи профиля показателя преломления и величины дисперсии волоконных световодов

а) ступенчатый профиль показателя преломления оптического волокна; б) треугольный профиль показателя преломления оптического волокна; в) градиентный профиль многомодового оптического волокна

При оконечивании оптических кабелей, которое осуществляется, как правило, в герметичных кроссовых шкафах и ящиках, каждое волокно завершается разъемным соединителем. Известен ряд стандартов соединителей: коннекторы типа ST (для многомодовых кабелей); типа FC (для одномодовых кабелей); типа SC (для одномодовых и многомодовых кабелей); розетки соответственно ST, FC, SC; адапте-

ры обнаженного волокна для временного оперативного соединения; постоянные и переменные аттенюаторы; ответвители и разветвители, различающиеся коэффициентом деления мощности сигнала.

Рис. 3.16. Примеры конструкций объектовых (абонентских) кабелей с волоконными световодами и плотной укладкой волокон

Рис. 3.17. Конструкция оптических кабелей

а) 4-х волоконный распределительный оптический кабель; б) 20-ти волоконный распределительный оптический кабель; в) 12-ти волоконный оптический кабель с профильным сердечником и свободной укладкой волокон

Сращивание отдельных волокон различных строительных длин оптических кабелей производится сваркой. В отдельных случаях могут использоваться сплайсовые (трубочные) соединения. Прокладка оптических кабелей сети доступа может быть осуществлена в распределительных желобах, закрепляемых на стены зданий, вдуванием сжатым воздухом в пластиковые трубчатые каналы, которые проложены в зданиях под штукатуркой, подвеской между зданиями или прокладкой в кабельной канализации.

Более подробную информацию относительно оптических кабелей можно найти в [13-15]. Полезные рекомендации по использованию волоконно-оптических кабелей содержатся в статье [16].

Актуальной задачей для волоконно-оптических кабелей является повышение эффективности использования полосы частот передачи стекловолокна.

Рассмотрим оценку полосы пропускания двух типов световодов, выполненных по рекомендации Международного Союза Электросвязи

(МСЭ) G.652:

волокно G.652 с водяным пиком;

волокно G.652 All Wave.

Вволокне с водяным пиком, который обусловлен поглощением оптической энергии на волнах 1360-1430нм остатками воды (гидроксильное соединение ОН), образующегося из-за технологического несовершенства производства волокна, используются два диапазона волн

1260-1360нм и 1430-1580нм. Этим волновым диапазонам соответствуют полосы частот 17,4×1012 Гц и 19,8×1012 Гц или 17,4 ТГц и 19,8 ТГц.

Вволокне All Wave, благодаря технологическому совершенству производства, устранен водяной пик затухания. Это волокно имеет диапазон волн передачи с наименьшими потерями мощности 1260-1675 нм, что соответствует частотной полосе около 60 ТГц. Приведенная оценка полосы частот передачи стекловолокна показывает, что оно имеет огромный частотный диапазон для организации передачи информационных данных со скоростями до нескольких десятков террабит (Тбит/с).

3.3. Физический уровень. Синхронная цифровая иерархия

Сегодня на Единой сети электросвязи (ЕСЭ) РФ используется оборудование мультиплексирования плезиохронной цифровой иерархии (PDH) и оборудование синхронной цифровой иерархии (Synchronous digital hierarchy, SDH). Исторически первыми появились цифровые системы передачи (ЦСП) PDH. В России это ЦСП местных первичных сетей: ИКМ-12, ИКМ-15, ИКМ-30 и их разновидности. Затем были разработаны и внедрены ЦСП PDH на городских и внутризоновых сетях ИКМ-120, ИКМ-480, а также волоконно-оптическая система передачи (ВОСП) типа «Сопка». Одним из недостатков PDH мультиплексирования

является сложность выделения цифровых потоков. Для выделения потока со скоростью 2 Мбит/с из цифрового потока в 140 Мбит/с он должен быть полностью демультиплексирован. Значительно проще эта задача решается в системах SDH (рис. 3.18). Здесь ввод и вывод потоков со скоростью 2 Мбит/с осуществляется при помощи мультиплексоров с функцией вставки/выделения (add/drop multiplexer, ADM).

Таким образом, в системах SDH исключается необходимость иерархического мультиплексирования и демультиплексирования всех высокоскоростных сигналов с использованием целого набора каскадных (baсk-to-baсk) мультиплексоров. При этом уменьшается как стоимость, так и объем оборудования для мультиплексирования.

Рекомендациями ITU-T базовая скорость передачи данных SDH определена в 155,52 Мбит/с.

ЦСП SDH представляет собой набор стандартизованных информационных структур, предназначенных для транспортировки сигналов по сети электросвязи. Главным из них является синхронный транспортный модуль N-го порядка STM-N. Пропускная способность ЦСП-SDH определяется используемым уровнем иерархии SDH и, соответственно, STM. В табл. 3.7 приведены значения скорости передачи В, количество первичных цифровых потоков E1 (NE1) и основных цифровых каналов

(NОЦК) для разных уровней STM (значения В и NОЦК округлены). Важнейшим достоинством ЦСП-SDH (не связанным с идеей син-

хронного объединения ЦП) является возможность построения надежной, управляемой транспортной сети за счет:

сегментированиялинийсвязисконтролемсостояниякаждогосегмента;

резервирования аппаратеры, узлов аппаратуры и линий с автоматическим переключением на резерв;

возможности реконфигурирования транспортной сети с помощью сети управления TMN и встроенных высокоскоростных каналов передачи и служебной информации (высокоскоростных по сравнению со служебными каналами ЦСП-PDH).

Контроль за состоянием сегментов линии передачи и организация высокоскоростных каналов передачи служебной информации возможны путем введения избыточности. В ЦСП с использованием электрического кабеля избыточность приводила к уменьшению длины участка регенерации из-за увеличения скорости передачи. При использовании ВОЛС или трактов РРЛ такая зависимость отсутствует.

Таблица 3.7. Цифровая емкость STM-N

Рис. 3.19. Однонаправленное кольцо SDH

Одним из наиболее распространенных способов резервирования линий, которое позволяет организовать ЦСП-SDH, является использование кольцевой топологии сети (рис. 3.19).

Кольцевая структура предоставляет два пути прохождения информационного сигнала: основной и резервный. При повреждении любого участка кольца осуществляется переключение и обход поврежденного участка трассы. Таким образом, видно, что ЦСП-SDH представляет собой не просто систему передачи, SDH – это аппаратура построения современной информационной сети – живучей, высококачественной транспортной сети связи.

ЦСП-SDH позволяет:

1)организовывать большие пучки качественных цифровых каналов;

2)строить линейные тракты практически без регенераторов;

3)создавать разветвленные, легко реконфигурируемые цифровые сети за счет использования кросс-коннекторов и мультиплексоров ввода/вывода;

4)предоставлять потребителям надежные цифровые каналы и тракты за счет встроенной аппаратуры оперативного контроля и переключения, а также надежных сетевых структур;

5)осуществлять оперативное управление сетью;

6)строить с использованием технологии АТМ высокопроизводительную цифровую сеть.

Технология SDH сегодня является доминирующей технологией в городских сетях и магистральных сетях РФ. В Европе, в отличие от России, развитие транспортных сетей SDH практически полностью прекращено и идет интенсивный процесс внедрения технологий спектрального уплотнения на магистральных сетях.

Многие специалисты от имени крупных мировых фирм еще в 2000 г., основываясь на прогнозе лавинообразного роста трафика, особенно в области передачи данных, предсказывали быстрое отмирание существующих сетей SDH по причине невозможности обеспечения с их помощью транспортировки увеличивающегося объема передаваемых данных. Взамен предполагался переход на

78 Глава 3. Технологические аспекты построения мультисервисных сетей

оптические транспортные сети (Optical Transport Network, OTN). OTN –

это транспортная сеть, ограниченная точками доступа оптического канала. По-видимому, так оно и будет, но не столь скоро, как это прогнозировалось.

Дело в том, что ожидаемого резкого увеличения трафика не произошло. Трафик продолжал расти, но не такими быстрыми темпами, как прогнозировалось. Во-вторых, построенные OTN оказались достаточно дорогими и в значительной степени невостребованными. Отдельные магистрали оказались загруженными всего на 3% [17]. Кроме того, до сих пор не установилась и продолжает совершенствоваться технология фотонных сетей или как их называют «полностью» опти-

ческих транспортных сетей (All Optical Transport Network).

В тоже время за время с 2000 г. продолжала совершенствоваться технология SDH. Были найдены новые решения, которые возродили интерес к SDH и сделали SDH мультисервисной платформой. Все началось с инициативы компании Lusent Technologies по стандартизации методов переноса пакетного трафика (в первую очередь Ethernet) через SDH, которую подхватили все производители оборудования SDH. Практически любой SDH-мультиплексор может относительно просто превратиться в полноценный Ethernet-коммутатор с поддержкой протоколов серии IEEE 802.1х, QoS-механизмов и т.д. Стандарты, такие как «Виртуальное сцепление» (VCAT, ITU-T G.707 2000), «Общая процедура формирования кадра» (GFP, ITU G.7041) и «Схема корректировки пропускной способности канала» (LCAS, ITU-T G.7042), обеспечивают эффективный перенос Ethernet-пакетов (или пакетов – в общем случае) через SDH. Стандарты «Ethernet через SDH» не влияют на основополагающие стандарты SDH, поэтому для реализации Ethernet-транспорта через SDH-сеть достаточно модернизировать оконечные SDH – мультиплексоры. Более подробно эти вопросы рассмотрены в разделе 3.5.3.

3.4. Физический уровень. Волновое уплотнение (WDM, DWDM, CWDM)

В настоящее время на сетях России используются преимущественно оптические волокна, соответствующие рекомендации G.652 и синхронные мультиплексоры уровня STM-16 (2,5 Гбит/с) без оптических усилителей с длиной участка регенерации до 100-120 км. В тоже время, как было показано в 3.2.3 волоконно-оптические линии обладают существенно более высокой пропускной способностью.

Действительно, теоретический предел пропускной способности оптического волокна (ОВ) в третьем окне прозрачности, т.е. на частоте

порядка 193 ГГц, составляет примерно 3 109 ОЦК. В тоже время для STM-16 число ОЦК 3 105 (см. табл. 3.7), что составляет 0,01% от про-

пускной способности ОВ. Повысить коэффициент использования оптического волокна и, следовательно, решить проблему нехватки оптического волокна, можно за счет волнового уплотнения (Wave lengthDivision Multiplexing, WDM). В литературе, применительно к WDM,

также встречается термин «спектральное мультиплексирование по волнам» и «волновое мультиплексирование».

В зависимости от числа волн, размещаемых в одном ОВ, различают технологии WWDM, CWDM, DWDM и HWDM. Так если в ОВ организовано всего два канала с использованием окон прозрачности 1300 и 1500 нм, то это технология с разнесенным спектральным мультип-

лексированием (Wide Band Wave Length Division Multiplexing, WWDM).

Системы грубого волнового мультиплексирования (Coarse WDM) работают в спектральном диапазоне 1300…1650 нм, используя 16 оптических несущих, интервалы между которыми 20 нм. В DWDM используется до 160 оптических несущих с выделением для каждого из каналов полосы 25…50 Ггц [16].

Главное достоинство технологий WDM заключается в том, что они позволяют преодолеть ограничения на пропускную способность канала и существенно увеличить скорость передачи данных. Причем используются уже проложенный волоконно-оптический кабель и стандартная аппаратура временного мультиплексирования. Благодаря WDM удается организовать двустороннюю многоканальную передачу трафика по одному волокну (в обычных линиях используется пара волокон – для передачи в прямом и обратном направлениях).

Существенно и то, что в сетях SDH появилась возможность выбирать для отдельного канала значение скорости (уровень иерархии), не зависящее от скорости других каналов, и затем использовать разные методы передачи. Наконец, распространению WDM способствуют последние технологические достижения: создание узкополосных полупроводниковых лазеров, имеющих ширину спектра излучения менее 0,1 нм, широкополосных оптических усилителей и оптических фильтров для разделения близких каналов.

Может сложиться представление, что технологии WDM являются универсальным решением проблемы увеличения пропускной способности, некой панацеей от всех бед, с которыми сталкиваются пользователи глобальных сетей. Между тем применение WDM тормозится рядом факторов как экономического, так и чисто технического характера.

Если говорить об экономической стороне дела, то внедрение WDM в местных сетях сдерживается высокой стоимостью соответствующей аппаратуры, особенно передающих устройств, и сложностью коммутации трафика. Вместе с тем исследования показывают, что решения на базе WDM могут оказаться экономически эффективными и в сетях меньшего масштаба. Для этого, в частности, в них должны приме-

няться недорогие мультиплексоры ввода/вывода, устанавливаемые в местах сопряжения местных и опорных сетей.

Фактор высокой стоимости аппаратуры оказывается еще более существенным для реализации технологии DWDM. При использовании близких частот требуются узкополосные полупроводниковые лазеры с высокой стабильностью длины волны генерируемого излучения, которые являются наиболее дорогим элементом DWDM-систем, сдерживающим распространение последних. Тем не менее основными преимуществами технологий DWDM остаются:

высокие скорости передачи и как следствие высокий коэффициент использования ОВ;

возможность обеспечения 100%-ной защиты на основе кольцевой топологии и простого наращивания каналов в оптической магистрали.

Внастоящее время сети DWDM применяются для построения высокоскоростных транспортных сетей операторов национального масштаба, на основе топологий «точка-точка» или «кольцо» и мощных городских транспортных магистралей, которые могут использоваться большим количеством пользователей с потребностями в высоких скоростях передачи и использующих различные протоколы.

Специалисты по организации оптических сетей связи отмечают, что при использовании WDM отсутствуют многие ограничения и технологические трудности, свойственные ТDM. Для лучшего использования пропускной способности ОВ вместо увеличения скорости передачи в едином составном канале, как это реализовано в ТDM, в технологии WDM увеличивают число каналов (длин волн), применяемых в системах передачи.

Повышение скорости передачи при использовании технологии WDM осуществляется без дорогостоящей замены оптического кабеля. Применение технологий WDM позволяет сдавать в аренду не только оптические кабели или волокна, но и отдельные длины волн, то есть реализовать концепцию «виртуального волокна». По одному волокну на разных длинах волн можно одновременно передавать самые разные приложения – кабельное телевидение, телефонию, трафик Интернета, «видео по требованию» и т.д. Как следствие, часть волокон в оптическом кабеле можно использовать для резерва.

Применение технологий WDM позволяет исключить дополнительную прокладку оптических кабелей в существующей сети. Даже если в будущем стоимость волокна уменьшится за счет использования новых технологий, волоконно-оптическая инфраструктура (проложенное волокно и установленное оборудование) всегда будет стоить достаточно дорого. Для ее эффективного использования необходимо иметь возможность в течение долгого времени увеличивать пропускную способность сети и менять набор предоставляемых услуг без замены оптического кабеля. ТехнологииWDM предоставляет такую возможность.