Существующие архитектуры SDH

Сетевые элементы архитектуры STM-64 пока еще не настолько развиты, чтобы органич- но дополнить меньший масштаб иерархии STM-16. В Release 1.0 STM-64, в частности не включена такая возможность, как формирование архитектуры с кольцевой топологией. Именно большое разнообразие кольцевых архитектур (от одно-волоконного кольца до 4-воло- конного двойного кольца) является одной из наиболее сильных сторон STM-16. Заметим, что использование волнового мультиплексирования позволяет строить смешанные архитектуры на основе кольцевой и линейной топологий в одном и том же волокне.

Release 1.0 STM-64 допускает развертывание исключительно линейных систем.

Миграция к оптическому уровню

Поскольку трудно предсказывать потребности в сетях и в полосе пропускания, то преимущества будут иметь те архитектуры, которые допускают более плавное наращивание своих ресурсов в более широких пределах. Развертывание системы 8 x STM-64 имеет большой шаг в 10 Гбит/с, в то время, как система 32 x STM-16 может наращиваться более плавно с шагом 2,5 Гбит/с. Кроме этого, сегментирование трафика в большее число волновых каналов – WDM-мультиплексирование и последующая их полностью оптическая кросскоммутация, а также ввод-вывод – представляется более простым решением, чем предварительное электронное агрегирование потоков STM-16 в меньшее число потоков STM-64 на терминале SDH.

8.5. Оптические коммутаторы

Оптическая коммутация принципиально отличается от механической коммутации потоков, которая была рассмотрена в п.3.6. При механической коммутации время срабатывания составляет десятки мс (в среднем от 20 до 50 мс). При оптической коммутации время срабатывания определяется переходными процессами в электрической цепи управления оптиче- ского коммутатора и обычно на несколько порядков меньше.

Оптический коммутатор – это один из наиболее важных элементов полностью оптиче- ской сети, без которого невозможно строить масштабируемые архитектуры. Большинство основных конструкций оптических коммутаторов должно иметь, по крайней мере, два выхода. Основными параметрами коммутатора являются: перекрестные помехи, вносимые помехи, скорость переключения, управляющее напряжение. В настоящее время используются разнообразные типы оптических коммутаторов – направленные ответвители, мостовой балансовый интерферометр и коммутатор на скрещивающихся волноводах. В основе работы оптического коммутатора используется линейный электрооптический эффект Поккельса (Pockels), который заключается в изменении показателя преломления материала пропорционально напряженности приложенного электрического поля. Эффект Поккельса может наблюдаться только в кристаллах, не обладающих центром симметрии.

Устройства мультиплексирования/демультиплексирования WDM, волновые фильтры и оптические коммутаторы имеют одну общую деталь – в основе их работы лежат в той или иной степени интерференционные эффекты. Основные принципы работы легче рассмотреть на простейшем четырехполюснике – разветвителе-коммутаторе.

Разветвитель-коммутатор 2x2 (элемент 2x2)

Общая схема сплавного разветвителя Х-типа показана на рис. 8.9 а. Излучение, введенное в один волновод, проникает в другой за счет перекрытия реактивных полей двух волноводов. Погонный коэффициент связи k зависит от параметров волновода, длины волны λ и ширины зазора g между волноводами. Разветвитель характеризуется разностью постоянных

распространения двух волноводов ∆ β = 2π (N1 − N2 )λ , (ãäå N – эффективные показатели

преломления) и длиной L. Прикладывая электрическое напряжение к электродам, расположенным по бокам или сверху и снизу волноводов, образующих так называемую ячейку Поккельса, можно регулировать фазовую расстройку за счет линейного электрооптического эффекта.

Ðèñ. 8.9. Общая схема и характеристика направленного ответвителя а) направленный ответвитель-переключатель; б) модуляционная

характеристика направленного ответвителя, действующего как переключатель

Далее следует решить систему двух комплексных дифференциальных уравнений, описывающих взаимосвязанные моды [10]:

ãäå δ = ∆ β 2 , R è S – комплексные амплитуды волн в двух волноводах, штрих – означает

производную по x . В частном случае, когда только в один волновод вводится единичная мощность, т. е. R(0) = 1, S(0) = 0 , можно, решая уравнения (8-13) и (8-14), определить мощ-

ность, переданную в другой волновод, т. е. величину S(L) 2 , которая также носит название

эффективность передачи:

В случае полностью симметричной конструкции на основе двух одинаковых волноводов (рис. 8.9 а) в отсутствии напряжения (δ = 0) мы имеем η = sin 2 kL . Полная передача мощности происходит при kL = (2n +1) π 2 , ãäå n – целое число, и минимальная длина при этом будет определяться выражением L = π 2k . В силу полной линейности и однородности системы уравнений (8-13) и (8-14), любая линейная комбинация двух решений также будет решением. Добавляя свойство симметрии, получаем, что при условиях (δ = 0 è L = π 2k), полная (крос-

совая) передача мощности будет иметь место для обоих сигналов, входящих в каждый волновод – сигналы должны быть одной и той же длины волны, а именно той, для которой рассчи- тывался коэффициент передачи k , и, соответственно, длина участка взаимодействия L . Заметим, что при δ ≠ 0 полная передача мощности невозможна ни при каких значениях kL .

Параллельное прохождение (η = 0) можно обеспечить за счет подачи электрического потенциала, вводя фазовую расстройку ∆ β . Легко определить величину необходимой рас-

стройки ∆ β = 3π L. В отсутствии напряжения эффективность связи между волноводами

коммутатора составляет 100% (оптические сигналы полностью кроссируются – входят в один волновод, выходят из другого), а при подаче необходимого напряжения эффективность связи уменьшается до 0. Поскольку уравнения (8-13) и (8-14) линейны по обоим аргументам и од-

нородны, то суперпозиция любых двух, являющихся по отдельности решений, также будет

Еще одна реализация разветвителя-коммутатора 2 × 2 , состоящая из двух последовательных Х-разветвителей, представлена на рис. 8.10. Оптические сигналы после прохождения по разным плечам интерферируют во втором разветвителе. Путем изменения напряжения на электродах, охватывающих одно из плеч, можно регулировать разность фаз между приходящими во второй разветвитель сигналами и тем самым влиять на характер интерференции.

Ячейка V Поккельса

Расщепление Интерференция

Ðèñ. 8.10. Двухплечевой оптической разветвитель-коммутатор

Наряду с электрооптическим эффектом, для осуществления коммутации также широко используется акустооптический эффект, который рассмотрен в работах [14, 15].

Имеется ряд технических реализаций пространственных коммутаторов 2 × 2 на основе полупроводниковых оптических усилителей. Описание таких устройств, а также более сложных производных устройств для создания временных задержек приводится в работах [16, 17].

Оптические коммутаторы nxn

На основе простых оптических разветвителей-коммутаторов 2 × 2 -элементов – строятся более сложные оптические коммутаторы n × n . Поскольку составные элементы 2 × 2 принимают на входные полюсы сигналы одной и той же длины волны, то и весь коммутатор n × n изготавливается для работы с поступающими оптическими сигналами одной и той же заданной длиной волны. Другими важными характеристиками коммутатора, кроме рабочей длины, являются максимальные вносимые потери и поперечные помехи на выходных полюсах. Прежде чем приступать к рассмотрению общих вопросов построения оптических коммутаторов n × n и их особенностей, проанализируем работу некоторых простых моделей (рис. 8.11).

Матричный строго неблокирующий коммутатор 4 × 4 (рис. 8.11 а) c 16 элементами представляет частный случай более общего матричного коммутатора. Заметим, что число элементов между разными парами входных и выходных полюсов может меняться в пределах от минимального 1 (элемент 1.1) до максимального 7 (элементы 4.1, 4.2, 4.3, 4.4, 3.4, 2.4, 1.4). Если учесть, что по прохождению каждого элемента теряется доля мощности полезного сигнала, а также вносится шум, то в заведомо неравном положении оказываются различные пути, с малым и большим числом промежуточных элементов. Соединение между любым входным и выходным полюсом всегда можно установить независимо от того, как скоммутированы оставшиеся пары полюсов, и не влияя на их соединение (свойство строгой неблокируемости коммутатора). Путь соединения однозначно определяется входным и выходным полюсами.

Коммутатор 4 × 4 (рис. 8.11 б) c 6 элементами представляет перестраиваемый неблокирующий коммутатор. Хотя число элементов в этом коммутаторе значительно меньше, чем в матричном 4 × 4 , он позволяет всегда без блокировки установить 4 соединения для заранее заданных пар входных-выходных полюсов (1-i), (2-j), (3-k), (4-l), где выходные полюсы (i, j, k, l) представляют любую перестановку (1, 2, 3, 4). Рассмотрим теперь процесс последовательного установления пар соединений. Пусть сначала было установлено соединение вх.1-вых.1 (1- 1.1-1.2 -1.3-1), затем соединение между вх.2 и вых.2 – это соединение устанавливается единственным путем (2-1.1-2.2-1.3-2), и, наконец, соединения (4-2.1-2.2-2.3-4) и (3-2.1-1.2- 2.3-3). Пусть далее происходит разрыв соединений вх.1-вых.1 и вх.4-вых.4, т. е. порты вх.1, 4 и вых. 1, 4 становятся свободными (остальные соединения продолжают действовать). И теперь, видно, что установление соединения полюсов вх.1 и вых.4. невозможно из-за блокиров-

Коммутатор 32 × 32 (рис. 8.11 б) c 90 элементами представляет блокирующий коммутатор типа Delta. В этом коммутаторе можно установить соединение между любым входным и выходным полюсами. Однако в случае попытки установления множественных соединений возможны блокировки, которые в принципе невозможно устранить. Например, нельзя одновременно передать сигналы, приходящие на полюсы 1, 2 и выходящие через полюсы 31, 32. Блокировка распространяемых сигналов возникает уже на участке связи между элементами 1.1 и 2.2.

Сведения из теории коммутации и общий анализ некоторых коммутаторов

Элементом 2 × 2 (обозначение X2,2 ), будем называть четырехполюсник с двумя входами

a, b и двумя выходами c, d, который может находиться в одном из двух состояний: либо с соединениями a-c, b-d, либо с соединениями a-d, b-c. Коммутатором n × n будем обозначать граф, узлами которого являются элементы 2 × 2 , имеющий n входов и n выходов, причем для любого входного и выходного полюсов можно построить соединение, проходящее через со-

ответствующие элементы коммутатора. Обозначим через nC è n L соответственно полное

число элементов коммутатора и максимальное число элементов на пути между входным и выходным полюсами.

Коммутатор называется строго неблокирующим (strictly non-blocking), если для любой свободной пары входных-выходных полюсов (i, k) и при любых предварительно установленных соединениях других пар полюсов всегда можно построить соединение i-k, не перестраивая (не разрывая) уже существующие соединения.

Примером строго неблокирующего коммутатора является матричный коммутатор n × n , у которого nC = n2 è n L = 2n −1 (рис. 8.12, табл. 8.9). Свойство строгой неблокируемости

считается одним из наиболее важных при оптической коммутации. Дело в том, что процедура избежания блокировки путем предварительного помещение в буфер ячейки или кадра, как это делается в традиционных системах электронной коммутации, весьма затруднительна в полностью оптических сетях. Матричными коммутатором n × n легко управлять, например если считать, что в отсутствии напряжения все элементы скроссированы (рис. 8.12), то для установления соединения i-k достаточно подать напряжение на элемент i.k. До тех пор, пока существует это соединение, все элементы в строке i и столбце k за исключением i.k будут оставаться без напряжения, независимо от того, как устанавливаются другие соединения. По этим причинам матричный коммутатор n × n представляется одним из наиболее эффективных при создании оптических коммутаторов с небольшим числом портов. Недостатком является

сильный рост значений параметров nC è n L с возрастанием числа входных полюсов n .

Ðèñ. 8.12. Матричный коммутатор n x n

Коммутатор n × n называется блокирующим (blocking), если существует перестановка ( i1 , i2 , ..., in ) чисел (1, 2, ..., n), для которой невозможно найти n взаимно неблокированных путей, связывающих входные и выходные полюсы (1, i1 ), ( 2,i2 ), ( n,in ). Наиболее известны три альтернативных типа блокирующего коммутатора: Delta Dn,2 , Banyan Yn,2 è Omega Ω n,2 , (рис. 8.13) [18, 19]. Для коммутатора Delta рекурсивное определение выглядит так:

(табл. 8.9), что обеспечивает им сравнительно низкую себестоимость. Эффективность блокирующих коммутаторов сильно падает с ростом числа входных каналов.

Коммутатор n × n называется перестраиваемым неблокирующим (rearrangeable nonblocking), если для любой заданной перестановки ( i1 , i2 , ..., in ) чисел (1, 2, ..., n), всегда можно найти n взаимно неблокированных путей, связывающих входные и выходные полюсы (1,i1 ), ( 2,i2 ), ( n,in ). В общем случае, такие пути получаются сильно взаимосвязанными. При использовании перестраиваемых неблокирующих коммутаторов можно встретиться с ситуацией,

когда для того, чтобы удовлетворить очередной приходящий запрос на установку соединения между определенными входными и выходными полюсами, может потребоваться перестройка внутренней структуры других соединений.

Ðèñ. 8.13. Блокирующие коммутаторы: а) рекурсивное определение Delta коммутатора; б) Delta коммутатор 16x16; в) Banyan коммутатор 16x16;

г) Omega коммутатор 16x16

Перестраиваемый неблокирующий коммутатор может быть построен путем модернизации рассмотренных блокирующих коммутаторов. Например, коммутатор Banyan с предшествующим Batcher сортировщиком позволяет устранить блокировки [20]. Такой улучшенный

коммутатор (Batcher + Banyan, Sn × Yn,2 ) весьма эффективен и широко используется в технологии ATM, где коммутация осуществляется по идентификационным полям в заголовке ячейки ATM. Он имеет значительно меньшее число элементов (~ n log2 (n2 ) , см. табл. 8.9) по сравне-

нию с матричным коммутатором. Batcher сортировщик не исключает возможность косвенного изменения (перестраивания) существующего маршрута под действием сигналов, поступаю-

щих на другие порты. Коммутаторы Sn × Yn,2 могут найти широкое применение в полностью

оптических сетях с коммутацией пакетов, обрабатывая приходящие пакеты аналогично тому, как ATM коммутатор обрабатывает ячейки.

Еще один пример перестраиваемого неблокирующего коммутатора – так называемый Beneš коммутатор Bn,2 – показан на рис. 8.14 а. Как видно, он имеет большое сходство с Delta коммутатором, а его рекурсивное определение записывается в виде:

При больших значениях n – Cantor коммутатор будет иметь преимущество по параметрам nC

è n L перед матричным коммутатором.

Ðèñ. 8.14. Примеры перестраиваемых неблокирующих коммутаторов: а) рекурсивное определение Beneš коммутатора;

б) рекурсивное определение Cantor коммутатора

Таблица 8.9. Характеристики коммутаторов

* n – число входных/выходных полюсов (2 характеризует тип элемента – 2x2)