Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Пакетно-оптические транспортные сети. Технологии оптических транспортных сетей. Ч. 2. Учебное пособие
.pdf
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО СВЯЗИ
Ордена Трудового Красного Знамени федеральное государственное
бюджетное образовательное учреждение высшего образования
Московский технический университет связи и информатики
В.Ю. Деарт, Т.Д. Фатхулин
ПАКЕТНО-ОПТИЧЕСКИЕ ТРАНСПОРТНЫЕ СЕТИ
ТЕХНОЛОГИИ ОПТИЧЕСКИХ ТРАНСПОРТНЫХ СЕТЕЙ
ЧАСТЬ 2
Учебное пособие
для обучающихся в аспирантуре по направлениям:
11.06.01– Электроника, радиотехника и системы связи и
в магистратуре по направлению подготовки
11.04.02 – Инфокоммуникационные технологии и системы связи
Москва 2018
2
УДК 621.391.18
Деарт В.Ю., Фатхулин Т.Д. Пакетно-оптические транспортные сети.
Технологии оптических транспортных сетей. Ч. 2. Учебное пособие / МТУСИ.
– М., 2018. - 74 с.
В данном учебном пособии изложены принципы построения и
функционирования современных оптических сетей. Рассмотрены современные
когерентные оптические сети, технология OTN и проведен анализ готовности
этих сетей к переходу к транспортным программно-конфигурируемым сетям
Т-SDN.
Учебное пособие ориентировано на обучающихся в аспирантуре по
направлению подготовки 11.06.01 – Электроника, радиотехника и системы
связи и в магистратуре по направлению подготовки 11.04.02 – Инфокоммуникационные технологии и системы связи.
Ил. 41, табл. 3, список лит. 23 назв.
Издание утверждено Методическим советом университета в качестве
учебного пособия. Протокол № 4 от 16.05.17г.
Рецензенты: А.П. Пшеничников, к.т.н., профессор (МТУСИ)
Р.М. Шарафутдинов, к.т.н., доцент (МТУСИ)
А.С. Бодров, ст. преподаватель (НП «Учебный центр
Алкатель – Лусент»)
© Московский технический университет
связи и информатики, 2018
3
Развитие новых информационных технологий М2М (передача данных
между машинами), USN (Ubiquitous Sensor Networks – всепроникающие
сенсорные сети), IoT (Интернет вещей) формируют многократное увеличение
трафика в современных сетях связи NGN. В качестве ответа на
формирующуюся в обществе необходимость резкого увеличения пропускной
способности современных сетей связи происходит быстрое развитие
технологий современных транспортных сетей. Собственно путь
совершенствования транспортных сетей происходит в двух направлениях: с
одной стороны, совершенствуются технологии передачи оптических сигналов
по волокну, с другой, происходит слияние пакетных сетей с оптическими и
переход к транспортным программно-определяемым сетям T-SDN.
В соответствии с новой концепцией обучения в аспирантуре по
специальности 11.06.01 – Электроника, радиотехника и системы связи в первый
год в МТУСИ проводится обучение по нескольким базовым дисциплинам,
включая дисциплину «Построение сетей NGN». Данный курс безусловно
является актуальным для формирования специалистов высшей квалификации
по данной специальности, поскольку в условиях конвергенции фиксированных
и мобильных сетей связи знание сетевых технологий является обязательным
условием становления эксперта в области телекоммуникаций. Вместе с тем,
уровень начальных знаний по сетевым технологиям у аспирантов,
поступающих на первый курс с разных кафедр, резко отличается. Как правило,
аспиранты-радисты менее осведомлены в сетевых технологиях, чем
выпускники факультета «Сети и системы связи». Однако, как показывает опыт
преподавания этой дисциплины, и магистрам связных специальностей данная
дисциплина позволяет не только систематизировать ранее полученные знания,
но и познакомиться с новейшими сетевыми технологиями.
Исходя из трехлетнего опыта преподавания данной дисциплины в
МТУСИ, авторы убедились, что одним из наиболее трудно усваиваемых
разделов является часть дисциплины, связанная с технологиями пакетнооптических транспортных сетей. Именно этот факт побудил авторов написать
данное пособие, которое должно дополнить лекционный материал дисциплины
и, таким образом, повысить эффективность усвоения материала курса для
аспирантов, изучающих дисциплину «Построение сетей NGN» .
4
СОДЕРЖАНИЕ
Введение ……………………………………………………………………………..6
Глава 1. Когерентные методы приема и передачи информации в ВОСП ………7
1.1. Когерентные системы связи …………………………………………………...7
1.2. Принцип работы когерентных оптических приемников с цифровой
обработкой сигналов ………………………………………………………………10
1.3. Максимальная скорость передачи информации в когерентных системах
связи ………………………………………………………………………………...12
1.4. Разработка DWDM-системы емкостью 25 Тбит/с …………………………..15
1.5. Перспективные решения по увеличению пропускной способности
оптических волокон ………………………………………………………………..25
Контрольные вопросы ……………………………………………………………..29
Глава 2. Введение в оптические транспортные сети OTN ……………………...30
2.1. Преимущества концепции OTN-OTH ……………………………………….30
2.2. Рекомендации МСЭ …………………………………………………………...32
2.3. Уровни OTN-OTH …………………………………………………………….34
2.4. Способы восстановления оптического сигнала ……………………………..39
2.5. Пример оптической транспортной сети OTN ……………………………….40
2.6. Размещение клиентского сигнала и мультиплексирование оптических
каналов ……………………………………………………………………………...41
2.7. Структура кадра OTH …………………………………………………………46
2.8. Уровни контроля парных соединений ТСМ ………………………………...54
2.9. Проверочное поле FEC ……………………………………………………….55
Контрольные вопросы ……………………………………………………………..57
Глава 3. Готовность транспортных сетей к внедрению технологии программно-
конфигурируемых сетей – SDN …………………………………………………..58
3.1. Состояние транспортных сетей ………………………………………………58
3.2. Существующие технические возможности и перспективные решения для
внедрения технологии SDN ……………………………………………………….60
3.3. Оценка готовности транспортных сетей к внедрению технологии SDN ….67
Контрольные вопросы ……………………………………………………………..68
Заключение …………………………………………………………………………69
Список литературы ………………………………………………………………..71
Список сокращений ………………………………………………………………..73
5
ВВЕДЕНИЕ
В первой части настоящего пособия были рассмотрены общие
свойства оптических волокон, оптические передатчики и приемники,
виды оптических усилителей, влияние дисперсии на передачу
оптических сигналов и способы уменьшения этого влияния. Значительное
внимание уделено принципам технологии WDM.
Во второй части настоящего пособия будут рассмотрены методы
когерентного приема оптических сигналов, который позволяет
значительно увеличить пропускную способность транспондеров. Также
будут рассмотрены основы технологии построения оптических
транспортных сетей OTN. Однако все перечисленные технологии
рассматриваются не сами по себе, а с точки зрения возможности их
использования для построения транспортных программноконфигурируемых сетей T-SDN. В настоящее время оптические
транспортные сети используются как ресурс с постоянной пропускной
способностью. Распределение этой пропускной способности между
каналами пользователей закреплено на стадии запуска сети и может
изменяться в процессе эксплуатации только при помощи остановки и
перенастройки сетевого оборудования, что требует значительных затрат
времени. Концепция T-SDN предполагает наличие динамически
изменяемого ресурса, который по требованию пользователя может быть
оперативно выделен. Именно с точки зрения наличия оперативно
предоставляемого ресурса (пропускной способности) и анализируются
технологии современных транспортных сетей в третьей главе второй
части настоящего пособия.
6
Глава 1
КОГЕРЕНТНЫЕ МЕТОДЫ ПРИЕМА И ПЕРЕДАЧИ
ИНФОРМАЦИИ В ВОСП
1.1. Когерентные системы связи
Рост суммарной скорости передачи информации в системах связи со
спектральным мультиплексированием (WDM) обеспечивается ростом
канальной скорости передачи информации, спектральной эффективности
использования рабочих спектральных областей и дальности передачи без
регенерации [1; 2; 3; 7 и 8]. В оптических системах связи с канальной
скоростью до 10 Гбит/с преимущественно используются бинарные
амплитудные форматы модуляции. При канальной скорости 40 Гбит/с наиболее
экономически эффективным форматом модуляции для реализации DWDM
систем связи, работающих на кабельной инфраструктуре действующих сетей
связи, оказался адаптивный дифференциальный фазовый формат модуляции
(ADPSK). Экспериментально продемонстрирована возможность совместной
работы разнородных спектральных каналов (10 Гбит/с NRZ и 40 Гбит/с NRZ
ADPSK) в сети DWDM с межканальным расстоянием 50 ГГц. Это позволяет
осуществлять экономичную модернизацию действующих 80-канальных DWDM
систем связи с канальной скорость 10 Гбит/с путем постепенного поканального
перехода к более скоростному сорокагигабитному оборудованию [14].
Однако, скорость цифровой обработки и передачи символов
ограничивается физическими факторами на уровне около 50 Гбод, что не
позволяет использовать бинарный фазовый формат DBPSK в системах связи с
канальной скоростью 100 Гбит/с. Поэтому для увеличения канальной скорости
передачи информации до 100 Гбит/с и больше надо использовать
многоуровневые форматы модуляции, которые позволяют уменьшить скорость
передачи символов в несколько раз.
Наиболее удобно многоуровневые форматы реализовать в когерентных
системах связи. Когерентные системы связи позволяют реализовывать любые
многоуровневые форматы модуляции, обеспечивая увеличение скорости
передачи информации в несколько раз в зависимости от емкости формата. В
частности, формат DP QPSK, обладая емкостью 4 бит/символ, обеспечивает
спектральную эффективность 2 бит/Гц при расстоянии между соседними
каналами 50 ГГц. Принцип работы традиционного когерентного приемника
оптических сигналов заключается в том, что перед детектированием с
преобразованием в электрический сигнал оптический сигнал смешивается с
опорным излучением (ОИ) (рисунок 1.1).
7
Рисунок 1.1 - Работа когерентного приемника; ОИ - опорное излучение;
ФД – фотодиод; САП – схема автоподстройки
Работа когерентного приемника состоит в том, что оптический сигнал
смешивается с опорным излучением (ОИ) и детектируется балансным
фотоприемником, содержащим два фотодиода (ФД1,2) и схему вычитания. С
целью синхронизации ОИ используется схема автоподстройки (САП).
Преобразование спектра оптического сигнала в когерентном гетеродинном
приемнике поясняет рисунок 1.2. Электрический сигнал, формируемый
гетеродинным фотоприемником, содержит компоненту на разностной (или
промежуточной) частоте, переносящую всю информацию, закодированную в
исходном оптическом сигнале. Если частота опорного излучения совпадает с
частотой несущей волны оптического сигнала, то когерентная система
называется гомодинной. Принцип ее работы поясняет рисунок 1.3. В
гетеродинных приемниках необходимо использовать промежуточную частоту,
намного превышающую частоту передачи сигналов. Поэтому практическое
применение гетеродинных приемников в системах связи со скоростью
100 Гбит/с маловероятно. В гомодинных приемниках основная трудность
связана с обеспечением взаимной синхронизации частоты опорного излучения
и несущей частоты оптического сигнала.
8
Рисунок 1.2 - Преобразование спектра оптического сигнала в когерентном
гетеродинном приемнике: слева показаны спектры оптического сигнала
(трапеция), несущей волны (черная стрелка) и опорного излучения (красная
стрелка); справа — спектры сигнала (трапеция) и несущей на промежуточной
частоте
Рисунок 1.3 - Преобразование спектра оптического сигнала в когерентном
гомодинном приемнике: вверху показаны спектры оптического сигнала
(трапеция) и опорного излучения (красная стрелка), спектр несущей совпадает
со спектром опорного излучения; внизу справа — спектр сигнала биений
(трапеция); слева — спектр комплексной огибающей несущей,
восстанавливаемой с помощью фазовой диверсификации
Первые попытки практического применения когерентных систем связи в
90-е годы ХХ века оказались неудачными из-за отсутствия генераторов
опорного излучения с ультравысокой стабильностью частоты. Почти на 20 лет
9
были прерваны активные научные исследования в этой области. Создание
оптических систем обратной связи для синхронизации источника опорного
излучения с несущей оптического сигнала (рисунок 1.1) по-прежнему остается
трудной задачей. Пригодные для практического применения когерентные
системы связи были созданы после разработки приемников с высокоскоростной
цифровой обработкой сигналов, в которых устранение фазового дрейфа
несущей оптического сигнала производится в электрической форме.
1.2. Принцип работы когерентных оптических приемников с
цифровой обработкой сигналов
В когерентном оптическом приемнике амплитудная и фазовая
информация, переносимая оптическим сигналом, преобразуется в
электрическую форму. В отсутствие цифровой обработки сигналов очень
жесткие требования предъявляются к взаимной синхронизации частот и фаз
источника опорного излучения и несущей оптического сигнала. При
использовании цифровой обработки сигналов в когерентном приемнике не
требуется взаимной синхронизации частот и фаз источников излучения.
Устройство цифровой обработки сигналов выполняет функции синхронизации
и фазовой диверсификации, а также декодирования цифровой информации.
Структура когерентного приемника показана на рисунке 1.4.
Рисунок 1.4 - Структура когерентного приемника с поляризационной и
фазовой диверсификацией
Входной сигнал и опорное излучение делятся на две поляризационные
10
компоненты поляризационными делителями (PBS). Две поляризационные
компоненты информационного сигнала смешиваются с двумя
поляризационными компонентами непрерывного излучения опорного лазера
(LO) на 90-градусном оптическом смесителе (поляризационно-квадратурный
смеситель — polarization-diversity 90-degree optical hybrid). Опорный лазер
перестраивается относительно центральной частоты принимаемого сигнала в
диапазоне ± 20 МГц. Ширина полосы лазера передатчика и лазера — источника
опорного излучения должна быть менее 100 кГц. Четыре пары сигналов с
балансных фотоприемников оцифровываются в АЦП и подаются на устройство
цифровой обработки сигналов. Формируемые четыре потока символов с АЦП
интерпретируются как действительная и мнимая части (I и Q) двух потоков
комплексных символов, по одному «комплексному потоку» для каждой
поляризации и обрабатываются в блоке цифровой обработки сигналов.
На первом шаге алгоритм осуществляет синхронизацию и коррекцию
статических ошибок, например ошибки, связанные с относительной задержкой
выборок между I и Q компонентами сигнала или поляризационные искажения
на 90-градусном смесителе. На втором шаге осуществляется сглаживающая
цифровая фильтрация. Поскольку форма спектра сглаживающего фильтра
оказывает незначительное влияние на работу цифрового приемника, то
используются фильтры с треугольной или гауссовой формами спектра
сглаживающего фильтра. На третьем шаге фильтр хроматической дисперсии
(bulk chromatic dispersion (CD) filter) компенсирует дисперсию передающей
линии. Такая компенсация в цифровом виде возможна потому, что при
когерентном приеме полная информация о комплексной огибающей
оптического поля сохраняется в электрическом сигнале. Действие
хроматической дисперсии может быть описано передаточной функцией линии
связи H (ω), преобразующей спектр Фурье огибающей входного сигнала X (ω) в
спектр Фурье выходного сигнала Y (ω) = H (ω) X (ω). После когерентного
детектирования формируется электрический сигнал со спектром Y(ω-ωLO). Для
компенсации хроматической дисперсии необходимо пропустить полученный
после детектирования электрический сигнал со спектром через
компенсирующий хроматическую дисперсию линейный фильтр с обратной
передаточной функцией Y(ω-ωLO). Для осуществления линейной фильтрации
цифрового сигнала его надо перевести в частотную область с использованием
быстрого преобразования Фурье (fast Fourier transforms (FFT)) и умножить на
функцию, обратную H(ω-ωLO). После этого осуществляется обратное
преобразование Фурье. На четвертом шаге осуществляется синхронизация фаз
и восстановление частоты. Частота синхронизации восстанавливается путем
выполнения операции FFT от огибающей мощности и детектирования
11
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]