Пакетно-оптические транспортные сети. Технологии оптических транспортных сетей. Ч. 2. Учебное пособие

модуляции стало возможно лишь с развитием технологии цифровых сигнальных процессоров, позволивших применять когерентные методы приема и передачи сигнала.

Другим техническим решением, позволяющим увеличивать пропускную способность канала для пользователя, является технология внедрения гибкой сетки частот (Flexible Grid) [11; 16]. Шаг сетки частот, согласно рекомендации МСЭ (G.694.1), выбирается кратным 12.5 ГГц (37.5 ГГц, 50 ГГц и т.д.). Технология Flexible Grid предполагает расположение оптических несущих с переменным шагом, что позволит динамически использовать полосу пропускания и применять оптические каналы с различной скоростью передачи сигнала. Для увеличения спектральной эффективности следует выбирать шаг

37.5 ГГц. Стоит отметить, что уже сейчас существует оборудование (например, компаний Т8 или Alcatel-Lucent), позволяющее использовать эту технологию и достигать пропускной способности в 25 Тбит/с. Технология Flexible Grid позволяет увеличить пропускную способность ВОСП более чем на треть, а также использовать 120 оптических каналов вместо 88.

Технология Flexible Grid является основой для применения еще одного технического решения по увеличению пропускной способности канала для пользователя. Технология суперканалов (Super Channel) основана на замене нескольких оптических несущих с малой скоростью передачи на один канал с большой скоростью передачи (например, 400 Гбит/с).

Рисунок 3.2 - Спектр DWDM сигнала, состоящего из суперканалов:

а) — спектр одного суперканала; б) — спектр DWDM сигнала в рабочем

диапазоне спектра

Оптические несущие одного суперканала называются поднесущими (рисунок 3.2). Оптические суперканалы маршрутизируются и переключаются в сети как единое целое.

62

Различным образом выбирая тот или иной параметр оптического сигнала, можно динамически изменить пропускную способность суперканала. Так, применяя две поднесущих, шаг сетки частот в 50 ГГц и формат модуляции BPSK, пропускная способность канала может достигать 50 Гбит/с, а дальность передачи 10000 км. Если же мы хотим иметь канал с пропускной способностью 400 Гбит/с, то следует применять формат модуляции 8-QAM, также две поднесущих и шаг сетки частот в 50ГГц. При этом длина регенерационного участка сократится до 1500 км [14]. Это обстоятельство необходимо учитывать при проектировании новых ВОСП или модернизации уже существующих.

Технология T-SDN реализуется выделением пользователю тракта с необходимой полосой пропускания с использованием технологии суперканалов. Дополнительно гибкость сети может быть достигнута при переходе от цветных и направленных портов ROADM (Colored & Directional) к «бесцветным» и ненаправленным (Colorless & Directionless), при которых нет жесткой привязки частоты к конкретному порту мультиплексора и длина волны с любого порта может быть смаршрутизирована в любое оптическое направление.

Таким образом, для повышения пропускной способности канала пользователя используют:

1) когерентные методы приема и передачи информации;

2) поляризационное мультиплексирование;

3) применение многоуровневых форматов модуляции;

4) плотную сетку частот, а также технологию Flexible Grid;

5) технологию Super Channel;

6) ROADM с «бесцветными» и ненаправленными портами.

Использование транспондеров, поддерживающих вышеуказанные

технические решения, позволит внедрить технологию T-SDN на уровне DWDM. Важно отметить, что выбор форматов модуляции, шага сетки частот и

создание суперканалов с необходимой пропускной способностью происходит на программном уровне при помощи контроллера, согласно концепции технологии SDN.

Что касается развития уровня DWDM в России, то можно отметить, что за последние пять лет в нашей стране пропускная способность магистральных систем передачи увеличилась в 50 раз (рисунок 3.3).

63

Рисунок 3.3 - Пропускная способность магистральных DWDM-сетей

(в тысячах 10 G канало-км) и темпы ее роста в России

Этот результат получен благодаря модернизации оборудования ведущей российской компанией «Ростелеком» при поддержке китайской компании Huawei. В 2008 году пропускную способность DWDM-систем увеличили с 10 Гбит/с до 40 Гбит/с, а в 2012 до 100 Гбит/с (рисунок 3.4).

Рисунок 3.4 - Модернизация технологий DWDM-систем компании

«Ростелеком», Гбит/с

С 2013 года в России технология со скоростью передачи в 100 Гбит/с стала массово внедряться основными операторами, такими как «Вымпелком», МТС, ТТК, «Мегафон». Это объясняется снижением удельной стоимости канала. Для России основные движущие силы для внедрения современного

64

DWDM оборудования: 1) необходимость модернизации сетей из-за увеличения

OTU-Optical Transport Unit

ODU-Optical Data Unit

Скорость передачи

0

1.25 Гбит/с

1

2.5 Гбит/с

2

10 Гбит/с

3

40 Гбит/с

4

100 Гбит/с

интернет-трафика; 2) повышение использования DWDM-систем в зоновых сетях; 3) а также ориентация на ЦОДы и трансформацию телекоммуникационных сетей в направлении SDN.

На третьем уровне (OTN) выбирается тип транспондера для конкретной оптической несущей. При этом происходит размещение в блоках данных (например, в ODU 1 – блок данных оптического канала первого порядка) и сервисных потоков поверх длин волн оптических несущих. Скорость передачи данных в различных структурах технологии OTN представлена в таблице 3.1.

Таблица 3.1

Как видно из таблицы 3.1, технология OTN предлагает широкий выбор транспортных структур для размещения клиентского сигнала. Также может происходить заполнение высокоскоростных оптических каналов низкоскоростными сервисными потоками. Например, восемь потоков со скоростью уровня 1 Gigabit Ethernet могут быть размещены в блоки ODU 0, а затем поверх оптического канала 10G (ODU 2). SDH трафик также может быть упакован в транспортные структуры технологии OTN. Важно отметить, что для увеличения длины регенерационного участка могут применяться проверочные поля с кодами упреждающей коррекции ошибок (FEC).

Для внедрения технологии T-SDN уже сейчас существует оборудование (например, компании NOKIA), способное поддерживать функции централизованной OTN кросс-коммутации с производительностью более

9.6 Тбит/с [6].

На четвертом уровне IP/MPLS выбирают количество и место расположения маршрутизаторов в сети. Согласно определению [4; 5], в сети IP/MPLS возможна организация гибких сервисов второго (VPLS) или третьего уровней (VPRN), которые обеспечивают возможность организации пользовательских каналов с заданной пропускной способностью. Вместе с тем,

65

процесс перестройки полосы пропускания пользовательского канала занимает значительное время и требует автоматизации, что может быть решено при использовании технологии SDN.

В настоящее время происходит процесс конвергенции оптических технологий (DWDM) с пакетными на всех уровнях, включая и уровень доступа. Что касается городского уровня, технология Metro Ethernet соединяется с оптическими сетями (DWDM/OTN). Сервисные маршрутизаторы IP/MPLS используются на конвергентной периферии. Уровень ядра транспортной сети использует в своей основе высокопроизводительные IP маршрутизаторы, которые используют возможности оптических сетей (DWDM/OTN). Такие сети называют пакетно-оптическими транспортными системами P-OTS

(Packet-Optical Transport System). Уже на основе P-OTS возможно построение T-SDN.

Таким образом, были проанализированы все уровни транспортной сети, на основе чего можно сделать вывод о возможности перехода к технологии SDN лишь после внедрения новых технологических решений. Важно рассмотреть комплексное взаимодействие всех уровней при переходе к технологии SDN. Для перехода к этой технологии необходимо изменить сетевую инфраструктуру (рисунок 3.5), о которой говорилось выше.

Рисунок 3.5 - Этапы изменения сетевой транспортной инфраструктуры

Согласно рассмотренным возможностям на уровне IP/MPLS происходит маршрутизация и Ethernet коммутация сервисных потоков (L2/L3); на уровне SDH, SONET и OTN осуществляется мультисервисная кросс-коммутация каналов (L1); уровень DWDM производит кросс-коммутацию оптических каналов (L0); уровень оптической кабельной структуры остается неизменным на всех этапах.

На первом этапе имелись следующие уровни: 1) IP/MPLS, 2) уровень SDH, SONET и OTN и 3) уровень DWDM. При объединении уровней DWDM и

66

SDH, SONET и OTN мы получим конвергентную OTN/DWDM сеть. При дальнейшем объединении с уровнем MPLS имеем единую конвергентную, масштабируемую, с многократным доступом сеть, которая позволит обеспечить динамическое создание соединений и предоставление услуг с минимальной стоимостью из расчета на бит. Такая инфраструктура транспортной сети позволит в полной мере произвести внедрение технологии SDN.

3.3. Оценка готовности транспортных сетей к внедрению технологии SDN

Таким образом, проанализировав существующие технические возможности и перспективные решения для внедрения технологии SDN на каждом из уровней транспортной сети, важно отметить, что существующие транспортные сети на настоящий момент не готовы к внедрению технологии SDN. Так, на уровне оптической кабельной структуры имеются ограничения, связанные с использованием оптических волокон рекомендаций G.652, G.653 и G.655, достигших предельных показателей по пропускной способности (недостаточная широкополосность применяемых ОУ, малая возможная вводимая мощность излучения в ОВ). На уровне DWDM основные ограничения связаны с тем, что на многих ВОСП применяются форматы модуляции NRZ, RZ и их модификации с невысокой канальной скоростью, используется неизменяемый шаг сетки частот, фиксированное число оптических несущих и мультиплексоры ROADM (Colored & Directional). На уровне OTN возможности зависят от типа транспондера для конкретной оптической несущей. Можно отметить, что только уровень IP/MPLS способен адекватно работать с технологией SDN, но этого недостаточно, так как нижележащие уровни не готовы к внедрению этой технологии.

Для того чтобы стала возможна техническая реализация технологии SDN, необходимо внедрить на каждом уровне новые технологии. На уровне оптической кабельной структуры следует использовать EDFA или гибридные EDFA – рамановские ОУ, работающие в C, L и S диапазонах, для увеличения широкополосности ОУ. Для увеличения длины регенерационного участка предлагается применять рамановские предусилители. Также для увеличения пропускной способности необходимо создавать и внедрять новые типы оптических волокон. На уровне DWDM для повышения пропускной способности канала пользователя необходимо повсеместно внедрять транспондеры, поддерживающие многоуровневые форматы модуляции, технологии Flexible Grid и Super Channel. Важно применять мультиплексоры ROADM с «бесцветными» и ненаправленными портами. На уровне IP/MPLS

67

необходимо создать пакетно-оптические транспортные системы P-OTS. Внедрение вышеуказанных новых технологий позволит создать всю необходимую инфраструктуру для технической реализации технологии SDN на транспортном уровне T-SDN.

Контрольные вопросы

1. Перечислите основные недостатки существующих сетей.

2. В чем заключается преимущество использования технологии SDN?

3. Почему невозможно перейти к технологии SDN в настоящее время?

4. Перечислите технические решения, которые позволят внедрить

технологию SDN.

5. Как должна измениться сетевая транспортная инфраструктура для

перехода к новой технологии?

68

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Данное пособие охватывает широкий спектр технологий построения современных оптических сетей. В первой части пособия рассмотрены общие свойства оптических волокон, рассмотрены различные виды дисперсии (межмодовая, хроматическая, поляризационная), описаны методы модуляции и демодуляции оптических сигналов, рассмотрены виды оптических усилителей и их характеристики. Особое внимание уделено последним достижениям технологии WDM. Во второй части пособия рассмотрены принципы построения когерентных оптических приемников с возможностью динамического изменения метода модуляции. Значительное внимание уделено технологии OTN и ее месту в современных транспортных сетях. Такой подход к построению пособия позволил не только представить все технологии современных оптических сетей, но и провести анализ готовности этих сетей к переходу к транспортным программно-конфигурируемым сетям T-SDN.

Таким образом, проанализировав существующие технические возможности и перспективные решения для внедрения технологии SDN на каждом из уровней транспортной сети, важно отметить, что существующие транспортные сети на настоящий момент не готовы к внедрению технологии SDN. Так, на уровне оптической кабельной структуры имеются ограничения, связанные с использованием оптических волокон рекомендаций G.652, G.653 и G.655, достигших предельных показателей по пропускной способности (недостаточная широкополосность применяемых ОУ, малая возможная вводимая мощность излучения в ОВ). На уровне DWDM основные ограничения связаны с тем, что на многих ВОСП применяются форматы модуляции NRZ, RZ и их модификации с невысокой канальной скоростью, используется неизменяемый шаг сетки частот, фиксированное число оптических несущих и мультиплексоры ROADM (Colored & Directional). На уровне OTN возможности зависят от типа транспондера для конкретной оптической несущей. Можно отметить, что только уровень IP/MPLS способен адекватно работать с технологией SDN, но этого недостаточно, так как нижележащие уровни не готовы к внедрению этой технологии.

Для того чтобы стала возможна техническая реализация технологии SDN, необходимо внедрить на каждом уровне новые технологии. На уровне оптической кабельной структуры следует использовать EDFA или гибридные EDFA – рамановские ОУ, работающих в C, L и S диапазонах, для увеличения широкополосности ОУ. Для увеличения длины регенерационного участка предлагается применять рамановские предусилители. Также для увеличения

69

пропускной способности необходимо создавать и внедрять новые типы оптических волокон. На уровне DWDM для повышения пропускной способности канала пользователя необходимо повсеместно внедрять транспондеры, поддерживающие многоуровневые форматы модуляции, технологии Flexible Grid и Super Channel. Важно применять мультиплексоры ROADM с «бесцветными» и ненаправленными портами. На уровне IP/MPLS необходимо создать пакетно-оптические транспортные системы P-OTS. Внедрение вышеуказанных новых технологий позволит динамически перераспределять ресурсы оптических сетей и создать всю необходимую инфраструктуру для технической реализации технологии SDN на транспортном уровне: T-SDN.

70

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Гордиенко В.Н., Тверецкий М.С. Многоканальные

телекоммуникационные системы. – М.: Горячая линия – Телеком, 2007. – 416 с.

2. Гордиенко В.Н., Крухмалев В.В., Моченов А.Д., Шарафутдинов Р.М. Оптические телекоммуникационные системы. – М.: Горячая линия – Телеком, 2011. – 370 с.

3. Гордиенко В.Н., Коршунов В.Н. Спектральная эффективность волоконно-оптической системы передачи // Электросвязь. – 2012. - № 1. – С. 53-56.

4. Деарт В.Ю. Мультисервисные сети связи. Транспортные сети и сети доступа. - М.: Брис-М, 2014. – 189 с.: 104 ил.

5. Деарт В.Ю. Мультисервисные сети связи. Протоколы и системы управления сеансами (Softswitch/IMS). – М.: Брис-М, 2011. – 198 с.: 79 ил.

6. Коган С. Перспективные транспортные METRO-решения для облачной сетевой инфраструктуры // Первая Миля. - 2016. - №8. - С. 38-49.

7. Крухмалев В.В., Гордиенко В.Н., Моченов А.Д. Цифровые системы передачи: Учебное пособие для вузов. – М.: Горячая линия – Телеком, 2007. – 352 с.

8. Листвин А.В., Листвин В.Н., Швырков В.Д. Оптические волокна для линий связи. – М.: ЛЕСАРарт, 2003. – 288 с.: ил.

9. Портнов Э.Л. Новые типы оптических волокон в телекоммуникациях и их применение // T-Comm: Телекоммуникации и транспорт. – 2013. - № 8. – С. 96-98.

10. Портнов Э.Л. Оптические кабели и пассивные компоненты волоконно-оптических линий связи. - М.: Горячая линия-Телеком, 2007. - 464 с.

11. Портнов Э.Л., Фатхулин Т.Д. Технологии достижения высоких скоростей передачи в современных когерентных DWDM-системах связи //

T-Comm: Телекоммуникации и транспорт. - 2015. – Т. 9. - № 8. - С. 34-37.

12. Смелянский Р.Л. Программно-конфигурируемые сети // Открытые системы. - № 9. - 2012. - С.15-26.

13. Смелянский Р.Л. Технологии реализации программно-

конфигурируемых сетей: Overlay vs OpenFlow // Журнал сетевых решений/LAN. - №4. - 2014. - С. 53–55.

14. Трещиков В.Н, Гуркин Н.В., Наний О.Е. Оптические когерентные DWDM системы связи с канальной скоростью 100Гбит/с // Фотон-экспресс. – 2014. - № 4 (116). - С. 24–27.

71