Volkov_dop.material / RU-Infinera-DWDM_Networks

техническая статья

Скорость передача данных

по суперканалам в сетях DWDM превышает 100 Гбит/с

Остановится ли когда-либо рост пропускной способности? Нет.

В результате ряда исследований в различных областях определено, что общий спрос на интернет растет приблизительно на 40% в год. Этот рост в основном обусловлен увеличением трафика видеосервисов – в настоящее

время Netflix задействует до 30% пропускной способности интернета в часы пиковой загрузки, в то время как значительно растут потребности и новых игроков, таких как Amazon, Hulu, Youku и BBC iPlayer. Этот рост еще более ускоряется благодаря возможностям доступа в интернет со стороны мобильных пользователей, поскольку клиентские программы для просмотра видео устанавливаются на все смартфоны и планшетные ПК, обеспечивая удобство просмотра видеоконтента через сеть в любом месте и в любое время.

Более того, мультимедийные и видеофайлы мигрируют в сеть: они находятся в облачных хранилищах данных типа Microsoft Azure или Apple iCloud, что всё чаще приводит к значительному объему дублирования информации для обеспечения возможности восстановления данных и повышения скорости их обработки. Вне зависимости от того, является ли потребителем конечный пользователь или предприятие, он все равно обращается к сети. Для операторов такое развитие событий является как привлекательной возможностью, так и угрозой. Те из них, кто наилучшим образом удовлетворит ожидания пользователей в условиях динамично развивающегося рынка мультимедийных сервисов для мобильных устройств, сможет увеличить свою рыночную долю. Однако, операторы должны быть готовы значительно увеличить пропускную способность сети, сократив при этом капитальные и операционные затраты в пересчете на 1 Гбит/с. Начинать следует с транспортной сети, которая является основой для интернет-соединений

в сетях дальней связи. Очевидно, что наряду с внедрением более крупных и мощных транспортных коммутаторов необходимо также изменить механизмы оптической передачи данных в сетях DWDM. Новый подход к организации пропускной способности DWDM-сетей – использование суперканалов – представляет собой эффективное решение ряда проблем, возникающих в связи с ростом интернет -сетей.

Рисунок 1: Видео, мобильные мультимедийные сервисы и облачные технологии ведут к росту спроса на интернет приблизительно на 40% в год

Что такое суперканал?

DWDM (мультиплексирование с разделением по длине волны) – это технология, которая позволяет параллельно использовать несколько оптических несущих для параллельной передачи данных в одном оптоволоконном канале. Таким образом обеспечивается более эффективное использование инфраструктуры дорогостоящих оптоволоконных сетей, дальность которых составляет тысячи километров и проходит как по земле, так и над ней. Многие представители индустрии считают, что отраслевым «золотым стандартом» в сетях DWDM на 2012-2013 года является 100G. Однако рост спроса на интернет требует масштабирования пропускной способности без увеличения эксплуатационной сложности. Возникает вопрос «Что будет после 100G?» Один из ответов – это суперканал, который представляет собой новый эволюционный этап сетей DWDM, согласно которому несколько параллельных оптических несущих объединяются и создают совмещенный сигнал с заданной пропускной способностью за один операционный цикл. Далее в этом обзоре объясняется, почему более эффективно объединять множество параллельных несущих в один суперканал для обеспечения скорости, превышающей 100 Гбит/с, чем просто увеличивать скорость передачи данных на каждый спектральный канал. При этом для клиентских сервисов, использующих Ethernet-соединения производительностью в 10 Гбит/c, 100 Гбит/с или 1 Тбит/с (например, при передаче трафика между оператором связи и корпоративным клиентом), суперканалы ничем не отличаются от одного канала с той же скоростью передачи данных.

Страница 2

В прошлом линейные системы DWDM на базе транспондеров работали в режиме фиксированного соотношения производительности клиентских сервисов и скорости передачи данных по каналу (к примеру, сервис 10G мог передаваться только по каналу DWDM производительностью 10 Гбит/с). Однако существуют инновационные возможности, которые смогут обеспечить новый уровень гибкости – это выбор форматов модуляции посредством специального программного обеспечения. Эта новая возможность важна для того, чтобы операторы могли использовать дальность DWDM-сети (то есть, расстояние, на которое можно передать сигнал) с учетом базовой скорости передачи данных в оптической транспортной сети («сырая» производительность полосы пропускания), что, в свою очередь, требует, чтобы упомянутое выше фиксированное соотношение было нарушено. Теперь необходимо размечать клиентские сервисы по производительности (менее 10G, 10G, 100G и выше) при любой пропускной способности суперканала посредством динамического представления механизма виртуализации.

Какие проблемы сможет решить технология суперканалов?

Суперканалы способны решить три фундаментальных задачи:

•Масштабирование полосы пропускания без масштабирования объема эксплуатационных процедур

•Оптимизация дальности и производительности сетей DWDM

•Поддержка высокоскоростных сервисов следующего поколения

Более того, внедрение технологии суперканалов возможно даже на базе существующих приемов проектирования сетей DWDM, не ожидая долгосрочного развития технологий.

Во-первых, как было указано выше, операторам нужно расширять возможности сетей, но при этом ко-

висимости от приложения или оптического маршрута. Последней разработкой, позволяющей увеличить пропускную способность, сохранив дальность передачи сигнала, является функция когерентного детектирования – она дает операторам сетей производительностью 40G и 100G возможность использовать ту же – или даже большую - протяженность сетей в сравнении с системой прямого детектирования интенсивности модуляции сигнала сервисов 10G (IMDD), также известной как система кодирования интенсивности сигнала без возврата к нулю (NRZ) или система передачи с амплитудной модуляцией. (См. врезку «Справочник по модуляции» для подробного объяснения). Суперканалы помогут обеспечить производительность выше 100 Гбит/с, но при этом должна сохраниться дальность передачи сигнала, поэтому логичным вариантом станет подход с использованием нескольких несущих. Принцип гибкой последовательной модуляции (FlexCoherent) – важный элемент, который поможет достичь поставленной цели.

Страница 3

Первое поколение суперканалов с «разделенным спектром» (см. главу «Внедрение суперканалов») обеспечивает производительность около 8 Тбит/с в частотах диапазона С – это от 5 до 10 раз выше, чем спектральная эффективность IMDD-систем 10G, использующих традиционные модуляторы на 50 Гц. Когда оператор готов выйти за пределы существующей технологии фиксированного расположения волн ITU в сетях DWDM (соответствующей стандарту ITU G.694.1), следующее поколение суперканалов, не требующих использования модулятора, сможет обеспечить увеличение чистой эффективности волокна на 25% за счет более эффективного использования спектра.

В конечном итоге суперканалы позволят операторам поддерживать следующие поколения сетей Ethernet, клиентские сетевые сервисы передачи видео и хранения данных, которые работают со скоростью, превышающей 100 Гбит/с (самая высокая скорость обмена данными в сети Ethernet в соответствии со стандартом IEEE802.3ba). На данный момент неясно, какой именно будет стандартная скорость обмена данными в будущем (два наиболее вероятных варианта - 400 Гбит/с и 1 Тбит/с), поэтому технология суперканалов должны обладать достаточной гибкостью для того, чтобы соответствовать этим потенциальным требованиям.

Оптическое волокно является замечательным материалом, в котором свет может проходить сотни и тысячи километров, но недостатки оптоволокна (такие как затухание волн и сигналов, хроматическая дисперсия (CD), поляризационная дисперсия (PMD), относительная потеря поляризации (PDL) и нелинейность) также должны учитываться при проектировании сети. Хотя технология IMDD и проста во внедрении, существуют две проблемы. Во-первых, половина передаваемой мощности приходится на несущую, которая не содержит информации. Это ведет к потерям в 3 дБ в отношении сигнал-помеха (SNR). Во-вторых, приемник IMDD работает нелинейно в соответствии с принципом квадратичного детектирования, что приводит к крайней неэффективности электронной компенсации линейных ограничений (CD и PMD). Отметим, что CD представляет собой функцию передачи всех частот в параболической фазе по отношению к частоте, и, следовательно, пропорциональна квадрату скорости передачи символа. Искажения PMD пропорциональны самой скорости передачи сигнала.

Таким образом сигнал IMDD на 100G (в десять раз быстрее 10G IMDD) фактически сталкивается со более значимыми ограничениями, поскольку очень сложно снизить эффект PMD и остаточной CD. В целом, именно по этой причине сигнал 10G IMD остается наиболее широко используемым в отрасли на протяжении более чем десяти лет.

Y-поляризация

Страница 4

Суперканалы незаменимы в том случае, если крупным операторам необходимо выйти за пределы производительности в 100 Гбит/с как можно быстрее, не дожидаясь научных и инженерных прорывов. Об этом мы расскажем в следующем разделе.

Внедрение суперканалов

В момент написания настоящего обзора окончательные стандарты относительно суперканалов еще не определены, поэтому такие показатели, как число несущих, скорость передачи данных, сопряженность/ несопряженность несущих и уровень интеграции компонентов, остаются полностью открытыми для определения в ходе внедрения суперканалов. В целях привлечения внимания представителей отрасли к развитию технологии суперканалов, в настоящем отчете уделяется особое внимание преимуществам объединения множества несущих для разрешения всех трех описанных выше фундаментальных проблем и для своевременного предоставления технического решения. Существуют два очевидных варианта внедрения, позволяющих разработать транспондеры с одной несущей, которые обеспечивают производительность выше 100 Гбит/с. Во-первых, можно обеспечить передачу большего числа символов в секунду; во-вторых, кодировать большее число битов на один символ (возможна также определенная комбинация обоих вариантов). Технология суперканалов позволяет реализовать третий вариант – использовать множество несущих как одну эксплуатационную единицу. Для простоты примем за данность, что нам требуется пропускная способность в 1 Тбит/с.

Передача большего количества символов в секунду

Диапазон частот С

1 Тбит/с PM-QPSK

Рисунок 2: Одна несущая производительностью 1 Тбит/с не является практически приемлемым решением, поскольку необходимое электронное оборудование не будет доступно еще примерно десятилетие. Кроме того, использование одной несущей приведет к значительно большему числу ограничений

при использовании оптоволокна в сравнении с использованием суперканалов.

Во врезке «Основные сведения о модуляции» описано, как биты данных кодируются в модуляционные символы для дальнейшей передачи. Транспондер 100 Гбит/с PM-QPSK отправляет символы со скоростью примерно в 32 Гбод. Таким образом, транспондер на 1 Тбит/с просто увеличит скорость передачи символов в 10 раз, при этом итоговое значение составит 320 Гбод. Это показано слева на рисунке 2.

Страница 5

У этого подхода есть два недостатка. Во-первых, электронное оборудование для обеспечения работы интерфейсов также должно работать со скоростью 320 Гбод. Такой уровень производительности интегрированного электронного оборудования, вероятно, не будет доступен в течение следующего десятилетия. Во-вторых, при нынешнем состоянии оптоэлектронной технологии и при сохранении того же типа модуляции, внедрение более высокой скорости не обойдётся без потерь. Внедрение суперканала на 1 Тбит/с с использованием 10 несущих (как показано справа на рисунке 2) снижает требования к производительности электронного оборудования и к скорости передачи информации по оптоволоконным каналам в 10 раз, и при этом достаточно использовать электронику на 32 Гбод. Более того, поскольку скорость передачи символов у каждой несущей (в данном примере) равна скорости передачи символов транспондера 100G PM-QPSK, производительность оптики более чем достаточна для большинства дальних и сверхдальних со-

единений. В тех случаях, где необходимо оптическое соединение через Тихий океан, FlexCoherent позволяет суперканалам использовать модуляцию PM-BPSK путем простой настройки параметров конфигурации.

Главная особенность предлагаемого решения в том, что и у отдельных несущих, и у суперканалов одинаковые показатели спектральной эффективности, но при этом суперканалы отличаются гораздо более высокой оптической производительностью. Технологии, которые позволят использовать суперканалы, станут доступны уже в ближайшем будущем.

Кодирование большего количества битов на один символ

PM-QPSK кодирует четыре бита на символ, что в четыре раза больше, чем при использовании традиционной модуляции IMDD. Комбинация такой эффективности кодирования, когерентного детектирования и технологии упреждающей коррекции ошибок с большим коэффициентом усиления (FEC) позволяет сигналу на 100G иметь такую же, или даже большую, дальность, как и у сигнала IMDD на 10G. Так почему бы не перейти на модуляцию более высокого порядка, такую как

8QAM, 16QAM или 32QAM? Сегодня эти алгоритмы широко используются (при гораздо более низких скоростях передачи данных) в WiFi, кабельных модемах и xDSL. Кроме того, переход с PM-QPSK на PM16QAM вдвое снизит требования к скорости электроники (в бод) и приблизит время, когда станет возможным практическое внедрение этой технологии.

Страница 6

Обратите внимание на черные окружности. Из рисунка ясно, что площадь этих кругов представляет собой максимальный уровень оптической мощности на один символ. Если уровень мощности превышает нелинейный порог данного оптоволоконного канала, то уровень потери оптического сигнала быстро увеличивается. Пара желтых кругов представляет собой кодированные биты данных – и чем больше таких желтых кругов размещается внутри черных окружностей, тем меньше оптической мощности доступно на 1 бит данных.

В таблице 1 то же самое показано в виде цифр. Проще говоря, технологии модуляции типа 16QAM могут ограниченно использоваться в региональных сетях.

Таблица 1: Соотношение дальность сигнала/общая пропускная способность в разрезе ряда различных типов модуляции. Таблица приведена исключительно в иллюстративных целях – не все показанные типы модуляции имеют практическое значение,

вто время как некоторые из них уже доступны для широкого использования.

Ксожалению, модуляция более высокого порядка сама по себе не является решением для обеспечения пропускной способности на уровне терабит, как и не существует единственно правильного типа модуляции для каждого маршрута. Этот вывод подчеркивает необходимость во внедрении суперканалов на основе нескольких несущих, применяющих модуляцию FlexCoherent. Таким образом операторы могут добиться оптимального соотношения дальности и спектральной эффективности без необходимости заказывать дополнительное оборудование.

Значение оптической интеграции

Суперканалы обеспечивают пропускную способность сетей DWDM на уровне 1 Тбит/с за один эксплуатационный цикл без потерь спектральной эффективности и с той же дальностью передачи оптического сигнала, как и существующее поколение когерентных транспондеров на 100G.

PIC

Рисунок 4: Суперканал с PIC. Сотни оптических функций в двух микрочипах размером с человеческий ноготь. В данном примере - 10 x 100 Гбит/с в одной линейной карте.

Страница 7

Очевидно, что суперканал на основе 10 несущих потребует 10 комплектов оптических компонентов на одну сетевую карту. Внедрение такого интерфейса с использованием дискретных оптических компонентов совершенно нереалистично – на рисунке 4 подробно показан масштаб проблемы. Слева изображены 10 отдельных транспондеров на 100G. Эти транспондеры поддерживают около 600 оптических функций, которые, вероятно, размещены на дискретных оптических компонентах.

зрения, так же, как электронная интеграция для многоядерных и графических процессоров. Чем больше несущих в суперканале, тем меньше требований к электронике и тем лучше оптические характеристики. PIC позволяют обойти ограничения, связанные с сложностью использования оптических компонентов, и выбрать правильную и сбалансированную модель проектирования сети.

Основа успеха суперканалов – гибкость

Выше мы показали, что суперканалы обладают рядом преимуществ по сравнению с использованием отдельных несущих при передаче данных в сетях DWDM. Мы сравнили пример внедрения суперканала PM-QPSK производительностью 1 Тбит/с с примером внедрения отдельной несущей производительностью 1 Тбит/c. В реальных условиях при реализации технологии суперканалов необходимо обеспечить гибкость решения в соответствии с рядом параметров:

•Какой тип модуляции следует использовать?

•Как наилучшим образом оптимизировать спектральную эффективность и дальность сигнала?

•Какое расстояние должно быть между несущими?

•Какой должна быть общая пропускная способность суперканала?

A

B

X

C

Рисунок 5: В идеале линейная карта суперканала должна обеспечивать гибкость при выборе типа модуляции с тем, чтобы оператор мог определять приоритетность дальности сигнала или пропускной способности,

избегая сложных логистических операций по доставке и замене компонентов.

Страница 8

На данные вопросы нет единственно верного ответа. В идеальном случае, в рамках внедрения суперканалов оператор мог бы выбирать тип модуляции, расстояние между несущими суперканала и итоговую пропускную способность суперканалов посредством программного обеспечения. Технология модуляции FlexCoherent от компании Infinera предоставляет именно такие возможности, поддерживая до шести когерентных типов модуляции на одну линейную карту – это позволяет варьировать пропускную способность соединения и дальности оптического сигнала в зависимости от требований конкретного приложения. На рисунке 5 можно оценить степень эксплуатационной гибкости, обеспечиваемой технологией FlexCoherent.

В данном случае рассматриваются два суперканала, начинающиеся в узле А и заканчивающиеся, соответственно, в узлах В и С. Расстояние от А до В относительно небольшое (менее 700 километров), здесь можно использовать модуляцию PM-16QAM и тем самым добиться большей спектральной эффективности за счет меньшей дальности. Вторая линия более протяженна (до 3 000 километров) и может потребовать использования PM-QPSK, что снижает уровень спектральной эффективности в пользу большей дальности. Линия из узла С к узлу Х является подводным соединением дальней связи (более 5 000 километров), и здесь оператор транспортной сети должен воспользоваться преимуществами модуляции FlexCoherent для PM-BPSK, жертвуя спектральной эффективностью для достижения приемлемой дальности сигнала. (Обращаем Ваше внимание на то, что в данном примере непомеченные промежуточные узлы являются полностью оптическими по отношению к суперканалу и не обеспечивают регенерации цифрового сигнала).

На всех маршрутах используются одинаковые линейные карты, а конфигурация FlexCoherent определяется самим оператором сети при помощи программного обеспечения.

Страница 9

Разделение интерфейсов со стороны линии связи и со стороны клиентского оборудования

Как уже упоминалось выше, ожидается, что переход на технологию FlexCoherent станет промышленным стандартом и даст возможность операторам выбирать между более высокой пропускной способностью и дальностью. Как следствие, необходимо еще одно значительное изменение. Традиционно операторы сетей «привязывали» производительность со стороны клиентского сетевого оборудования, например на крупных предприятиях или у провайдеров межоператорских услуг (например,10 GbE или 100 GbE), к производительности интерфейсов со стороны оптической сети (передача данных в DWDM-сетях дальней связи). Другими словами, клиентская услуга на 100 GbE была бы жестко привязана к каналу DWDM

на 100 Гбит/с. Однако, как ранее указывалось в таблице 1, изменение модуляции ведет не только к изменению дальности, но и к изменению скорости передачи данных. Таким образом, интерфейсы со стороны линии связи и со стороны клиентского оборудования должны быть не связаны друг с другом либо виртуализированы. В настоящее время наблюдается тенденция к тому, что производительность на уровне 400 Гбит/c будет принята как следующий отраслевой стандарт скорости передачи данных относительно транспортной сети, поскольку, как считают многие представители отрасли, именно 400 GbE – следующий стандарт сетей Ethernet. Крайне важно, чтобы стандарт был задан гибким, так как 400 Гбит/с при замене программным способом модуляции 16 QAM на модуляцию QPSK мгновенно превращаются в 200 Гбит/с. Существуют сценарии, где некоторые из несущих суперканала используют QPSK, в то время как другие несущие того же суперканала используют BPSK для того, чтобы обойти нелинейные ограничения.

Требуются стандарты и системы, которые проводят разграничение между интерфейсами со стороны самой линии связи и со стороны клиентского оборудования. Компания Infinera смогла реализовать этот подход

в ом, что мы называем Bandwidth Virtualization (виртуализация полосы пропускания). Виртуализация полосы пропускания позволяет аггрегировать доступную емкость на любом соединении, вне зависимости от количества используемых несущих или типа модуляции, при этом весь потенциал пропускной способности может быть использован для любого сервиса. Например, есть два суперканала (500 Гбит/с), «привязанные» к определенному соединению: при этом на одном суперканале доступна производительность 100 Гбит/с, а на втором суперканале - 300 Гбит/с. Технология Bandwidth Virtualization позволяет добиться общей производительности на уровне 400 Гбит/с, используя оба суперканала. Эта функциональность была протестирована на платформе Infinera DTN и теперь также доступна на платформе DTN-X. Технология Bandwidth Virtualization необходима для обеспечения эффективного использования ресурсов сети, если операторы желают иметь возможность выбора различных типов модуляции на основе конфигурации программного обеспечения.

Переход к использованию суперканалов: фиксированная и гибкая схема частот

Частоты ITU (стандарт G.694.1) используются в большинстве мировых DWDM-сетей на протяжении многих лет. Однако, некоторые несущие с фазовой модуляцией высокого порядка не требуют такого шага между длинами волн, как, например, 50 Ггц. Кроме того, суперканалы, состоящие из нескольких несущих, предполагают возможность сделать шаг между отдельными несущими существенно меньше 50ГГц, и освободившийся спектр оптоволокна может быть рационально использован для реализации гибкой схемы частот и оптимизации производительности сети.

Рисунок 6: Фиксированная схема частот и гибкая схема разделения частот в суперканале. Используя ресурс защитных полос между несущими частотами, которые являлись частью структуры фиксированной схемы, суперканал будет занимать приблизительно на 25% меньше спектра оптоволокна. Суперканал с разделенным спектром лучше совместим с частотами существующих системами передачи сигнала.

Страница 10