Полностью оптические сети

a, б

Рис. 8



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.

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

iR = - R + kS,(6)

iS = S + kR,(7)

где = /2, R и S - комплексные амплитуды волн в двух волноводах, штрих - означает производную по х. В случае, когда в один волновод вводится единичная мощность (R(0) = 1, S(0) = 0), из решения уравнений (6) и (7) определяем мощность, переданную в другой волновод (величину S(L)²), которая называется эффективностью передачи:

= sin²kL[1 + (/k)²]^0,5/[1 + (/k)²] .(8)

В случае симметричной конструкции на основе двух одинаковых волноводов (рис. 8 а) в отсутствии напряжения ( = 0) получаем = sin² kL. Полная передача мощности происходит при kL = (2n + 1)/2, где n - целое число, и минимальная длина при этом будет определяться выражением L = /2k. В силу полной линейности и однородности системы уравнений (6) и (8), любая линейная комбинация двух решений также будет решением. Добавляя свойство симметрии, получаем, что при условиях ( = 0 и L = /2k), полная (кроссовая) 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 рассчитывался коэффициент передачи k, и, соответственно, длина участка взаимодействия L. Заметим, что при 0 полная передача мощности невозможна ни при каких значениях kL.

Параллельное прохождение ( = 0) можно обеспечить за счет подачи электрического потенциала, вводя фазовую расстройку . Легко определить величину необходимой расстройки = 3^0,5/L. В отсутствии напряжения эффективности 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 (6) и (7) линейны по обоим аргументам и однородны, то суперпозиция любых двух, являющихся по отдельности решений, также будет решением. Таким образом, разветвитель-коммутатор 22 осуществляет коммутацию без блокировки.

Еще одна реализация разветвителя-коммутатора 22, состоящая из двух последовательных Х-разветвителей, представлена на рис. 9. 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.

Рис. 9

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

Имеется ряд технических реализаций пространственных коммутаторов 22 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 пп

На основе оптических разветвителей-коммутаторов 22 строятся более сложные оптические коммутаторы nn. Поскольку на элементы 22 подаются сигналы одной и той же длины волны, то и составленный из них коммутатор nn будет работать с оптическими сигналами той же длины волны. Важными характеристиками коммутатора, кроме рабочей длины, являются также максимальные вносимые потери и поперечные помехи на выходных полюсах. Прежде чем приступать к рассмотрению общих вопросов построения оптических коммутаторов nn и их особенностей, проанализируем работу некоторых простых моделей (рис. 10).

Матричный строго неблокирующий коммутатор 44 (рис. 10 а) с 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 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.



аб

в

Рис. 10

Коммутатор 44 (рис. 10 б) с 6 элементами представляет перестраиваемый неблокирующий коммутатор. Хотя число элементов в этом коммутаторе значительно меньше, чем в матричном 44, он позволяет всегда без блокировки установить 4 соединения для заранее заданных пар входных-выходных полюсов (1-i), (2-j), (З-k), (4-1), где выходные полюсы (i, j, k, 1) представляют любую перестановку (1, 2, 3, 4). Рассмотрим теперь процесс последовательногo 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 блокировки. Блокировку можно снять только путем дополнительной реконструкции уже действующих соединений.

Коммутатор 3232 (рис. 10 в) с 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.

Общий анализ работы коммутаторов

Элементом 22 (обозначение Х_2,2), будем называть четырехполюсник с двумя входами а, b и двумя выходами с, d, который может находиться в одном из двух состояний: либо с соединениями а-с, b-d, либо с соединениями а-d, b-с. Коммутатором nn будем обозначать граф, узлами которого являются элементы 22, имеющий n входов и n выходов, причем для любого входного и выходного полюсов можно построить соединение, проходящее через соответствующие элементы коммутатора. Обозначим через n_C и 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 nn у которого n_C = n² и n_L = 2n - 1 (рис. 11, табл. 8).



Таблица 8

Название коммутатора	Символьное обозначение	Тип коммутатора	nC	nL
Delta	Dn,2*	Блокирующий	0,5n log2n	log2n
Ваnуаn	Yn,2	Блокирующий
Omega	n,2	Блокирующий
Batcher + Ваnуnаn	Sn Yn,2	Перестраиваемый неблокирующий	0,25nlog2n(3 + + log2n)	0,5log2n(3+ + log2n)
Benes	Bn,2	Перестраиваемый неблокирующий	0,5n(2log2n - 1)	2log2n - 1
Cantor	Kn,2,m	Строго неблоки- рующий	n(log2n)2 + + 1,5n log2n - 2n	2log2(log2n)+ + log2n
Crossbar	Xn,2	Строго неблоки- рующий	n2	2n - 1

* n - число входных/выходных полюсов (2 характеризует тип элемента - 22)

Свойство строгой неблокируемости считается одним из наиболее важных при оптической коммутации. Дело в том, что процедура преодоления блокировки путем предварительного помещение в буфер ячейки или кадра, как это делается в традиционных системах электронной коммутации, затруднительна в полностью оптических сетях. Матричными коммутатором nn легко управлять, например если считать, что в отсутствии напряжения все элементы скроссированы (рис. 11), 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 nn представляется одним из наиболее эффективных при создании оптических коммутаторов с небольшим числом портов. Недостатком является сильный рост значений параметров n_C и n_L с возрастанием числа входных полюсов n.

Коммутатор nn называется блокирующим (blocking), если существует перестановка (i₁, i₂, ..., i_n ) чисел (1, 2, ..., n), для которой невозможно найти n взаимно неблокированных путей, связывающих входные и выходные полюсы (1,i₁,), (2,i₂), (n,i_n). Наиболее известны три альтернативных типа блокирующего коммутатора: Delta D_n,2, Banyan Y_n,2 и Omega _n,2, (рис. 12) [18, 19]. Для коммутатора Delta рекурсивное определение выглядит так:

D_2,2 = X_2,2,

D_n,2 = X_2,2D_n/2,2.

Рис. 11

Анализ коммутаторов Delta, Banyan и Omega показывает, что они имеют одинаковые предельно низкие значения параметров n_C и n_L cреди блокирующих коммутаторов nn (табл. 8), что обеспечивает им сравнительно низкую себестоимость. Эффективность блокирующих коммутаторов сильно падает с ростом числа входных каналов.

Коммутатор nn называется перестраиваемым неблокирующим (rearrangeable nonblocking), если для любой заданной перестановки (i₁, i₂, ..., i_n ) чисел (1, 2, ..., n), (1, 2, ..., n), всегда можно найти n взаимно неблокированных путей, связывающих входные и выходные полюсы (1,i₁,), (2,i₂), (n,i_n). 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.

аб

вг

Рис. 12

Перестраиваемый неблокирующий коммутатор может быть построен путем модернизации рассмотренных блокирующих коммутаторов. Например, коммутатор Ваnуаn с предшествующим Batcher сортировщиком позволяет устранить блокировки [20]. Такой улучшенный коммутатор (Batcher + Banyan, S_nY_n,2) весьма эффективен и широко используется в технологии АТМ, где коммутация осуществляется по идентификационным полям в заголовке ячейки АТМ. Он имеет значительно меньшее число элементов (nlog₂(n²), см. табл. 8) по сравнению с матричным коммутатором. Batcher сортировщик не исключает возможность косвенного изменения (перестраивания) существующего маршрута под действием сигналов, поступающих на другие порты. Коммутаторы S_nY_n,2 могут найти широкое применение в AON с коммутацией пакетов, обрабатывая приходящие пакеты аналогично тому, как АТМ коммутатор обрабатывает ячейки.

Еще один пример перестраиваемого неблокирующего коммутатора - так называемый Веnељ коммутатор В_n,2 - показан на рис. 13 а. Как видно, он имеет большое сходство с Delta коммутатором, а его рекурсивное определение записывается в виде:

B_2,2 = X_2,2,

B_n,2 = X_2,2B_n/2,2X_2,2.

aб

Рис. 13

На основе коммутатора В_n,2 строится строго неблокирующий Cantor коммутатор, (рис. 13 б, табл. 8), рекурсивное определение которого записывается в виде: K_n,2,m = X_1,mB_n,2X_m,1. Минимизация параметров n_C и n_L достигается при m = log₂n.

При больших значениях n - Caritor коммутатор будет иметь преимущество по параметрам n_C и n_L перед матричным коммутатором.

5. Волновые конвертеры

В AON волновой конвертер осуществляет чисто оптическое преобразование длины волны приходящего сигнала в другую длину волны Принцип действия такого преобразования (также известного как -конверсия), основан на эффектах нелинейного взаимодействия исходного оптического сигнала со специальным сигналом от лазера накачки, в результате чего образуется излучение новой длины волны. Преобразование полностью прозрачно по отношению к частоте модуляции и в отличии от оптоэлектронных преобразований не вносит задержки и способно работать вплоть до частот модуляции 10 Гбит/с и выше. Ожидается появление волновых конвертеров, осуществляющих одновременно преобразование длин волн сразу нескольких входящих сигналов, причем в пределах широкого волнового диапазона и малыми вносимыми шумами.

Один из методов волновой конверсии основан на использовании ферроэлектрического кристалла, внутри которого создаются условия для нелинейного оптического взаимодействия (рис. 14 а). Периодическая структура с чередующейся сменой направлений поляризаций увеличивает эффективность волнового преобразования. При одновременном распространении входного сигнала и сигнала от лазера накачки происходит генерация света на частоте, равной разности частоты волны накачки входного сигнала, т.е. выполняется закон сохранения энергии: 1/_С = 1/_р - 1/_s.

На рис. 14 б (по материалам фирмы OKI Electric Industry [21]) показан пример экспериментальных профилей мощности входного (_s = 1536 нм) и выходного (_C = 1545 нм) сигналов при длине волны накачки _p = 770 нм, полученных с использование такой периодической структуры. Основные технические параметры системы: мощность лазера накачки 10 мВт; диапазон длин волн перестраивания лазера накачки - 100 нм; полная длина кристаллической структуры 10 мм.

В работе [22] в качестве нелинейной среды использовано ОВ с нулевой смещенной дисперсией DSF длиной 2 км. Нелинейный эффект, приводящий к генерации новой длины волны, основан на четырехволновом смешивании, причем закон сохранения энергии записывается в виде: 2/_p = 1/_s +1/_C. Наибольшая эффективность достигается в окрестности точки нулевой дисперсии, где значительно возрастает сечение четырехволнового смешивания. В связи с этим длину волны лазера накачки следует выбирать как можно ближе к длине волны нулевой дисперсии волокна DSF.

Рис. 14

6. Классификация AON

С увеличением объема передаваемой информации по сети возникает задача наращивание емкости сети. Менее трудоемкое наращивание волоконно-оптических сетей происходит либо при помощи замены коммутаторов в центральных узлах на более мощные электронные устройства, рассчитанные на скорость передачи по волокну до 1 Гбит/с, 2,5 Гбит/с или до 10 Гбит/с и имеющие различные вариации механизма пакетной коммутации АТМ/SDH, Gigabit Ethernet и т.д., либо при помощи привлечения ранее не используемых резервных "темных" волокон в проложенных ВОК. Если больше не осталось "темных" волокон то остается один путь - прокладывать новые кабели, но такое решение может оказаться очень дорогим, неудобным и не всегда быстрым. Другой путь - привлечение оптических технологий и построение магистралей на основе технологий AON, что делает возможным значительно повысить экономичность, гибкость и надежность сетей, и, самое главное - значительно увеличить пропускную способность, не переоборудуя существующие кабельные системы.

Все AON можно разбить на три основные категории [23, 29]: сети, использующие многоволновые (мультиплексные) линии связи, сети с коммутацией каналов и сети с коммутацией пакетов (табл. 9).

Первые две категории AON имеют одну важную характеристику - прозрачность сети по отношению к используемому приложению. Главным фактором прозрачной AОN выступает гибкость по отношению к используемым конечными узлами приложениям (АТМ, FDDI, и т.д.). Оптическая прозрачность (передача оптического сигнала в формате приложения - код, частота модуляции) достигается по любому из оптических WDM каналов от узла-источника до узла-назначения без использования оптоэлектронных устройств преобразования сигнала. Сигнальный формат в пределах каждого WDM канала может быть виртуально произвольным, обеспечивая экономичность и гигантский потенциал наращивания. Кроме чисто пассивных компонентов (мультиплексоров, демультиплексоров, ответвителей), прозрачные AОN могут содержать активные элементы, такие как, конфигурируемые волновые маршрутизаторы, волновые конвертеры, оптические коммутаторы. Даже если управление этими устройствами электронное, весь путь распространения самого сигнала остается оптическим.

Электронный контроль требует меньшей полосы (допустимо под управление выделение специального отдельного канала) и используется, главным образом, для реконфигурирования узлов сети, WDM каналов, изменения структуры потоков, удовлетворяя различным требованиям пользователей.

Таблица 9

Категория сети	Подкатегория	Характеристики
Многоволновая мультиплексная линия связи		Полностью прозрачная по отношению к оконечным узлам
Полностью оптическая с коммутацией каналов	Широковещательная (пассивная) сеть	Полностью прозрачная
	Сеть с пассивной волновой маршрутизацией	Полностью прозрачная
	Сеть с активной волновой маршрутизацией	Полностью прозрачная
Полностью оптическая с коммутацией пакетов	Сеть с последовательной битовой коммутацией пакетов	Прозрачная при использовании установленного протокола
	Сеть с параллельной битовой коммутацией пакетов	Прозрачная при использовании установленного протокола

Оптическое терминальное оборудование в прозрачной AОN в наиболее общем случае представляют: перестраиваемые лазерные передатчики (tunable-laser transmitters) и/или перестраиваемые поворотные фильтры (tunable filters или heterodynes). Два оконечных узла сети могут установить канал связи через такую сеть посредством настройки на определенные две волны (для приема и передачи), которые им предоставляет сетевой контроллер оптического терминала, обработав соответствующий предварительный запрос. После установления соединения магистральный канал становится прозрачным по отношению к используемому приложению.

Допускается более интересная возможность, когда любая группа пользователей может получить соответствующий набор длин волн от прозрачной AON и организовать свою собственную виртуальную сеть. Каждый пользователь в этой сети способен открыть одновременно несколько сессий. Таким образом, прозрачная AON потенциально обладает очень богатыми возможностями объединения пользователей на локальном или глобальном масштабах расстояний.

Многоволновая линия связи SMWL

Такая сеть представляет простейший способ организации архитектуры AON (указано только одно направление передачи данных, рис. 15) и позволяет организовать множество соединений "точка-точка" между однотипными узлами, которые общаются на вполне определенных, предназначенных исключительно для них, длинах волн.

Рис.15

Преимуществами данной сети являются: большая полоса пропускания, отводимая на каждую пару взаимодействующих между собой пользователей; высокая надежность связи вследствие гарантированной полосы пропускания (под каждый канал отводится отдельная длина волны); прозрачность каждого канала сети по отношению к выбору сетевого приложения (АТМ, Gigabit Ethernet, SDH/PDH и т.д.) между оконечными узами. Недостатком является наличие жестко зафиксированных соединений по каналам. В настоящее время в сетях кабельного телевидения получили большое распространение симплексные многоволновые линии связи, в которых передача ведется только в одном направлении.

Многоволновая линия связи не является полноценной сетью, поскольку не позволяет осуществлять соединения удаленных узлов по принципу "каждый с каждым". Она выполняет исключительно функции транспортной магистрали высокой емкости и подобно магистралям SDH обеспечивает статическое соединение "точка-точка", только с частотным мультиплексированием. Многоволновые линии связи могут находиться в составе более сложных архитектур полностью оптических сетей.

Параметры многоволновых мультиплексных линий связи

Три основные черты магистральной многоволновой линии связи (высокая частота модуляции сигналов в каналах, высокая плотность мультиплексных каналов и большие расстояния сегментов) заставляют строго подходить к требованиям по передаче информации. Наиболее важные факторы, ограничивающие технические возможности оптической линии, приведены ниже [24].

Соотношение сlш. Для того, чтобы поддерживать необходимое соотношение с/ш, число последовательных узлов EDFA, включенных в световой путь, должно быть ограничено. Как известно, оптические усилители EDFA вносят шум, что при большом числе последовательных соединений приводит к значительному искажению сигнала. Моделирование без учета влияния дисперсии сигнала в волокне показывает, что максимум 18 каскадов EDFA может быть установлено между регенераторами при скорости передачи 622 Мбит/с с приемлемым для стандарта STM-4 соотношением сигнал/шум, всего 11 узлов при скорости передачи 2,5 Гбит/с с удовлетворительным соотношением сигнал/шум. Реальное число каскадов EDFA из-за дисперсионной деградации сигнала уменьшается примерно в два раза.

Полоса пропускания усилителей ЕDFA. Поскольку передаточная характеристика EDFA в рабочей области не плоская даже для фтор-цирконатных EDFA, то разброс в 2 дБ остается при коэффициенте усиления 30 дБ. После 50 каскадов усилений начальная зона в 30 нм сокращается до 10 нм. С этой точки зрения желательно для передачи использовать плотно расположенные волновые каналы (DWDM) и в области наибольшего плато. При передаче мультиплексного сигнала, размещенного в широкой зоне EDFA, в случае большого числа каскадов, могут требоваться специальные эквалайзеры, вносящие затухание на тех длинах волн, соответствующие каналы которых испытывают наибольшее усиление.

Поперечные помехи. Поперечные помехи могут быть как межзонными, так и внутризонными. Межзонные помехи возникают между двумя различными длинами волн и обычно не носят кумулятивный характер, поскольку существует множество фильтров в сети. Для их подавления достаточно поставить соответствующий узкозонный фильтр перед оптическим приемником. Внутризонные помехи значительно сложнее контролировать. Они могут накапливаться, и простым способом их подавить невозможно. Анализ показывает, что чувствительность фильтра должна быть более, чем на 20 дБ ниже для соседней длины волны, чтобы минимизировать эффект внутризонных помех. Внутризонные помехи могут включать когерентные биения. При расчете и создании архитектур AON следует оценивать вклад от внутризонных помех. Простые фильтры типа Фабри-Перо не имеют достаточно резкой передаточной характеристики, чтобы уменьшить внутризонные поперечные помехи.

Линейная диспепсия волокна. Основным фактором является систематическое накопление хроматической дисперсии в одномодовом ОВ, которая для ОВ типа NZDSF может достигать 5 - 6 пс/нм в расчете на 1 км. Полная допустимая величина дисперсии в оптическом сегменте между регенераторами зависит от стандарта.

Нелинейная диспепсия EDFA. Использование оптических усилителей позволяет компенсировать потери мощности в ОВ, но это создает дополнительные нелинейности - хвосты в спектральном представлении сигнала, несущие меньшую мощность испытывают большее усиление по сравнению с центральной частью пакета, приводя к появлению нелинейной дисперсии. Увеличение пролетов между каскадами EDFA, и, соответственно, уменьшение числа самих каскадов, снижает нелинейную дисперсию, но усиление более слабого сигнала приводит к уменьшению соотношения с/ш.

Поляризационная модовая дисперсия (PMD). Эта дисперсия возникает в ОВ из-за неидеальной циркулярности реального ОВ. Практически PMD начинает вносить ограничение на длину безрегенерационного участка только при очень большой скорости передачи на канал (10 Гбит/с). При этом максимальное значение PMD в линии не должно быть больше 1/10 от битового интервала [25, 26]. PMD нелинейно зависит от расстояния L (как L^-0,5), поэтому растет медленнее с ростом расстояния.

Стимулированное Рамановское рассеяние. Этот нелинейный эффект, также известный как спонтанное комбинационное рассеяние, связан с рассеянием света на колебаниях поляризованных молекул ОВ.

Под действием света большой интенсивности происходит поляризация совершающих тепловые колебания молекул, при этом сам падающий свет испытывает рассеяние, трансформируя часть своей энергии как в традиционный рэлеевский компонент (на частоте падающего света ), так и в два боковых нелинейных компонента: стоксовый (на частоте - ) и антистоксовый (на частоте + ), где - частота колебаний молекул в ОВ. Именно два нелинейных компонента приводят к поперечным помехам между каналами в мультиплексном сигнале и, в конечном итоге, к его деградации. Из-за этого, в частности при мощности передатчика 0 дБм и межканальном интервале 4 нм, только 8 каналов можно мультиплексировать при протяженности линии 1000 км, и только 4 канала при протяженности 8000 км [27].

Четырехволновое смешивание FWМ. Природа нелинейного эффекта FWM связана с наличием слабой зависимости показателя преломления ОВ от интенсивности распространяемого по нему света, в результате чего из двух волн с частотами _i, _j появляется две новые волны с частотами _k и _l причем _i + _j = _k + _l , как того требует закон сохранения энергии. При попадании новых волн в спектральные области существующих каналов будут иметь место поперечные помехи между каналами. Влияние поперечных помех из-за FWM увеличивается с приближением хроматической дисперсии к нулю и максимально в окрестности точки нулевой дисперсии. Наиболее сильно подвержено влиянию FWM ОВ с нулевой смещенной дисперсией DSF - длина волны нулевой дисперсии у этого ОВ попадает в рабочую область усиления EDFA.

Итак, технические параметры оптических систем (протяженность сегментов, число мультиплексных каналов в одном ОВ, интервалы между каналами, битовая скорость и др.) в большой степени взаимосвязаны между собой и зависят от перечисленных факторов. Для увеличения транспортных свойств следует руководствоваться следующими критериями:

- уменьшать интервалы между каналами (при этом необходимо принимать во внимание, что в волокне DSF сильные поперечные помехи в каналам могут возникать из-за FWM по мере приближении к точке нулевой дисперсии);

- минимизировать число длин волн при протяженных пролетах и большом числе каскадов EDFA;

- стремиться не делать очень большой мощность вводимого в ОВ излучения - в противном случае, все нелинейные эффекты начинают проявляться особенно сильно (новое ОВ фирмы Corning LEAF с большим диаметром модового поля MFD позволяет уменьшить влияние нелинейных эффектов при сохранении прежней мощности, вводимой в ОВ, поскольку интенсивность излучения на единицу площади сечения сердцевины уменьшается);

- использовать оптические усилители с большой мощностью насыщения;

- по возможности, уменьшать число оптических компонентов, вносящих потери.

7. AON с коммутацией каналов

Две первые подкатегории AON с коммутаций каналов (широковещательные сети и сети с пассивной волновой маршрутизацией) представляют собой пассивные сети PON (passive optical network). PON - это AON, использующая только пассивные оптические компоненты: ОВ, направленные ответвители, разветвители, волновые мультиплексоры, и фильтры. Особенностью PON является низкая цена, низкие затраты на поддержку или полное ее отсутствие, а основные сферы приложения - это "волокно-в-дом" (fiber-to-the-home) или "волокно-по-кругу" (fiber-in-the-loop). Таким образом, экономичность и низкие затраты на поддержание сети (философия the "bury it and forget it") - главные цели такой сети, даже при понижении ее производительности. При построении PON не исключается частичная, в основном для преодоления больших расстояний, возможность использования оптических усилителей EFDA. хотя последние и не являются чисто пассивными компонентами.

Широковещательная AON

Каждому удаленному узлу широковещательной AON обычно приписывается определенная длина волны, на которой узел ведет передачу. Сигналы со всех удаленных узлов собираются в оптическом звездообразном разветвителе, где они смешиваются и распределяются по выходным полюсам в ОВ, идущие обратно к удаленным узлам, каждый узел получает мультиплексный сигнал, представленный всеми длинами волн, рис. 16.

В качестве центральных элементов сети используются один или несколько звездообразных разветвителей, не имеющих избирательной функции по длинам волн, как WDM. Каждый удаленный узел сам определяет, канал какой длины волны из принимаемого мультиплексного потока выбрать. В качестве приемного элемента может служить либо перестраиваемый в соответствии с протоколом управления фильтр с одним фотоприемником, либо демультиплексор WDM с множеством фотоприемников, подключенных к выходным полюсам.

Рис. 16



Два проекта-прототипа широковещательных вычислительной AON реализованы фирмой IBM: Rainbow-1 (1991 год) и Rainbow-2 (1995 год) [28].

Архитектура Rainbow-1 -- охватывает 32 удаленных станции типа IBM PS/2. Электронные и оптические-сетевые элементы встроены в две стандартные Micro Channel карты.

Основные характеристики:

- каждая станция оснащена передатчиком фиксированной длины волны и приемником с перестраиваемой длиной волны;

- передаваемые длины волн лежат в диапазоне от 1505 нм до 1545 нм;

- оптоэлектронному приемнику предшествует фильтр Фабри-Перо с перестраиваемым диапазоном 50 нм. Скорость перестройки длины волны 10 мкс/нм, что соответствует среднему времени настройки на нужный канал 250 мкс;

- скорость передачи данных 200 Мбит/с по стандартному одномодовому ОВ SF 8/125.

Принцип работы:

- Если станция А хочет передать информацию станции В, она поступает следующим образом:

1. Начинает передавать запрос на разрешение передачи для станции В. Это - повторяющаяся последовательность коротких сообщений и сигнала синхронизации на длине волны _А.

2. Перестраивает свой приемник на длину волны _В станции В.

- Если станция В занята в это время, то станция А будет продолжать посылать запросы на разрешение передачи для станции В.

- Если станция В свободна, она последовательно по циклу сканирует весь диапазон длин волн, проверяя наличие запросов от других станций, предназначенных ей.

- Когда станция В обнаруживает адресованный ей запрос (в данном случае запрос от станции А), она фиксирует свой перестраиваемый фильтр на длине волны _А этого запроса, и сразу же посылает подтверждение станции А. Это происходит быстро, так как станция В всегда передает на фиксированной длине волны _В, а станция А уже настроила свой приемник на эту длину волны.

- После этого обе станции могут свободно обмениваться данными, до тех пор, пока они не решат разорвать соединение.

Архитектура Rainbow-2 - представляет прототип широковещательной AON следующего поколения по отношению к Rainbow-1. Хотя принципы построения сети сохранен, практические возможности архитектуры Rainbow-2 существенно возросли:

- Rainbow-1 -- это сеть, ориентированная на взаимодействие рабочих станций в пределах локальной вычислительной сети. Rainbow-2 предназначена для взаимодействия суперкомпьютеров и организации быстрого доступа к ним;

- если Rainbow-1 базировалась на установленных в PS/2 специальных адаптерах Micro Channel, то Rainbow-2 использует внешние модули, которые наделены рядом функций для разгрузки процессоров хост-компьютеров;

- в Rainbow-2 возросла скорость передачи данных до 1 Гбит/с в расчете на станцию при длинах оптических сегментов до 15 км и прежнем числе рабочих станций до 32.

Допустима альтернативная архитектура широковещательной AON, в которой узлу разрешено принимать сигнал только на одной фиксированной, предназначенной только для этого узла, длине волны, а передавать на разных длинах волн, используя перестраиваемый лазер [29]. Общий протокол работы такой сети будет схож с протоколом случайного доступа CSMA.

Поскольку центральной узел широковещательной AON и все оптические сегменты являются чисто пассивными элементами, такая сеть имеет очень высокую надежность.

В то же время, широковещательную АОN невозможно использовать в качестве магистралей для глобальных сетей по двум причинам. Во-первых, энергия передатчика от каждого узла распределяется между всеми остальными узлами, в результате чего большая доля энергии тратится при разветвлении вхолостую. Эту проблему можно решить привлечением оптических усилителей, хотя при этом снижается надежность. Во-вторых, каждый узел широковещательной AON требует индивидуальной длины волны, так что полное число узлов в сети oграничивается максимальным числом каналов, которые можно мультиплексировать в одно ОВ. Теоретический предел числа различных длин волн, которые можно мультиплексировать в отдельное ОВ с использованием техники плотного волнового мультиплексирования DWDM составляет порядка 200. Далее, если даже допустить, что для передачи используется 20 ОВ, то можно объединить порядка 4000 узлов, что катастрофически мало для построения единой информационной магистрали на Земле. Принципиальная невозможность построения масштабируемых архитектур широковещательных сетей ограничивает их сферу применения локальным масштабом.

AОN с пассивной волновой маршрутизацией

Частично обе проблемы могут быть решены на основе AОN с пассивной волновой маршрутизацией, рис. 1

Рис. 17

В такой сети сигнал определенной длины волны может перенаправляться (статически маршрутизироваться) в узел назначения через последовательность промежуточных узлов вместо того, чтобы широковещательно распределяться между всеми оконечными узлами сети. Это позволяет экономить энергию оптического сигнала из-за отсутствия разветвителей и допускает одновременное использование сигналов, представленных одной и той же длиной волны в разных неперекрывающихся частях сети.

Промежуточными узлами сети с пассивной волновой маршрутизацией являются статические маршрутизаторы, выполненные преимущественно на основе WDM мультиплексоров.

AON с активной волновой маршрутизацией

Дальнейшее наращивание сети связано с переходом от статической к динамической маршрутизации. Маршрутизация на узлах становится активной и допускает дистанционное конфигурирование. Динамическая маршрутизация, прежде всего, предполагает использование оптических коммутаторов.

На рис. 18 показан пример многоуровневой архитектуры сети AON с коммутацией каналов, в которой на уровне групп реализована широковещательная AON, не выходящая за пределы группы (для этой цели выделяются определенные длины волн, в разных группах локально можно использовать один и тот же набор длин волн), на более высоком уровне (уровнях) реализуется сеть с динамической волновой маршрутизацией.

Рис. 18



Волновая конверсия. Безусловно, динамическая маршрутизация в AON с коммутацией каналов предоставляет большую гибкость. Однако для достижения максимума масштабируемости, наряду с активной волновой маршрутизацией, должна быть реализована волновая конверсия, которая позволяет установить соединение между волновыми каналами, представленными разными длинами волн. Волновая конверсия также позволяет наиболее эффективно использовать предоставленное ограниченное число волновых каналов. Здесь можно провести аналогию с технологией АТМ, где допускается одновременное использование разными АТМ-коммутаторами одних и тех же значений идентификаторов виртуальных каналов VCI (Virtual Circuit Identifier).

Преимущество волновой конверсии можно продемонстрировать на упрощенном примере сети, в которой мультиплексные сигналы в каждом ОВ представлены максимум двумя каналами, рис. 19. Будем считать, что все оконечные узлы (станции) могут передавать или принимать сигналы на любой из двух длин волн, а маршрутизаторы, не меняя длины волны, могут по требованию перенаправлять канал в любом доступном направлении с одним условием, что при этом не возникает блокировки в выходном сегменте.

Первый этап (рис. 19 а). Станция А начинает вести передачу для станции Е (на длине волны ₁). Далее передачу начинает станция D для станции Н. Длина волны этой передачи может быть только ₂, так как в сегменте S₂ канал с длиной волны ₁ уже представлен.

Второй этап (рис. 19 б). Стартуют передачи от В к С и от F к G. Длины волн этих передач определяются однозначно.

Третий этап (рис. 19 в). Прекращаются передачи от А к Е и от D к Н, после чего станция А желает передавать для станции Н. Без волновой маршрутизации, т. е. используя только одну длину волны (₁ или ₂), это сделать невозможно, не возмущая другие передачи - возникает блокировка либо на участке S₂ либо на S₁. Если же допускается общее реконфигурирование, то можно предварительно перестроить длину волны передачи между F и G c ₁ на ₂, после чего начать передачу от А к Н на длине волны ₁ (сравните с перестраиваемыми неблокирующими коммутаторами, раздел 4). Однако перестраиваться с одной длины волны на другую во время передачи весьма неудобно - при непрерывном потоке данных это может вести к потере информации.

Волновой конвертер предоставляет значительно более гибкое решение, рис. 19 г.

Кроме увеличения гибкости сети, наличие волновой конверсии ведет к росту волновой эффективности (рис. 20), показывающей какое максимальное число различных пар соединений в среднем приходится на одну длину волны [29],

а

б

в

г

Рис. 19

Пример сети с центральным узлом на основе волновых конвертеров показан на рис. 21. Каждый узел передает сигнал на фиксированной длине волны, а также принимает сигнал на фиксированной, индивидуальной (установленной для данного узла) длине волны. Выбор длины волны передачи удаленной станции - не принципиален. Так, в частности, все станции могут передавать на одной и той же длине волны. Центральный узел коммутации принимает оптические сигналы от всех удаленных узлов и конвертирует их в сигналы других длин волн в соответствии с инструкциями от управляющего компьютера. Звездообразный комбайнер-разветвитель смешивает сигналы разных длин волн и распределяет по всем выходным полюсам.

Рис. 20

Логическому соединению между двумя удаленными узлами предшествует настройка соответствующих волновых конвертеров. Если узел С желает передать сообщение для узла А, то выполняется следующая последовательность действий:

- узел С размещает специальный запрос для разрешения передачи для узла А, который обрабатывается управляющим компьютером;

- если узел назначения (А) свободен, управляющий компьютер обменивается сообщениями с этим узлом, получая подтверждение о том, что узел А готов установить соединение;

- если все в порядке, управляющий компьютер сообщает узлу С, что будет установлено соединение с узлом А;

- управляющий компьютер устанавливает соединение между узлами А и С.

Главный недостаток этого подхода - относительно длительный процесс установления соединения. В этом смысле, время установления соединения в ранее рассмотренных прототипах сетей Rainbow-1/2, связанное с перестройкой фильтра, значительно меньше. В то же время, приведенный пример сети с центральным элементом, имеет несколько сильных сторон:

- очень простой централизованный контроль. Нет проблемы, связанной с разрешением коллизий;

- возможно использование одной и той же реперной частоты для всех передатчиков, что означает потенциальную допустимость более плотной упаковки волновых каналов; хотя в некоторых случаях приемникам может и понадобиться стабилизация;

- главное преимущество рассмотренной централизованной сети в том, что она (при очень больших скоростях передачи - 1 Гбит/с и более) должна быть значительно ниже по цене, чем сеть с чисто электронным коммутатором в центральном узле.

Рис. 21

8. АОN с коммутацией пакетов

Рассмотренные выше AON с коммутацией каналов позволяют строить оптические магистрали, прозрачные к использованию любых приложений со стороны оконечных сетевых узлов. Но наряду с этим достоинством, отмечается и один их недостаток - сети с коммутацией каналов не могут работать с "взрывным трафиком" от локальных сетей передачи данных. В этой связи внедрение AON с коммутацией пакетов было бы идеальным, поскольку они позволяют значительно эффективней использовать отведенную полосу пропускания волоконно-оптических каналов связи.

Особенности AON с коммутацией пакетов

- Коммутация пакетов в AON представляет совершенно новое направление развития сетей. Это означает, что должны быть разработаны совершенна новые схемы маршрутизации, новые архитектуры, ориентированные на технологию AОN.

- Все схемы маршрутизации оптических потоков должны быть единообразны для всей AОN с коммутацией пакетов. Это требование для сетей с коммутацией каналов было более мягким и ограничивалось, в основном, только наличием единого частотного плана.

- В технологиях AON одной из сложных задач считается создание оптических буферов. Поэтому предпочтение будет отдаваться оптическим пакетным коммутаторам, использующим технологию коммутации без буферизации (cut through).

- Новые архитектуры должны учитывать специфические особенности каждого оптического домена, чтобы выгодно использовать их для упрощения конструкции.

Рассмотрим два основных метода пакетной коммутации в AON (последовательная битовая и параллельная битовая коммутация пакетов).

Оптическая последовательная битовая коммутация BSPS (bit-sequential packet switching) - это метод прямого управления электроникой коммутационных элементов, в отличии от методов, используемых в сетях с коммутацией каналов. При использовании BSPS заголовок пакета в канале взятой длины волны кодируется последовательностью из р бинарных битов (битовая 1 определяется наличием оптического сигнал, а битовый 0 - его отсутствием). Эти биты устанавливают коммутатор в надлежащее состояние, позволяя следующему за заголовком телу пакета свободно идти через коммутатор к соответствующему выходному полюсу. Поскольку коммутатор прозрачен к телу пакета, то такая сеть сохраняет название AON. Для заголовка из р битов существует 2^р различных адресов узлов сети. Волновое мультиплексирование позволяет значительно увеличить передающую емкость, но приводит к дополнительному усложнению. Прежде, чем выполнить пакетную коммутацию каналов, необходимо предварительно демультиплексировать сложный сигнал, а на выходе коммутаторов - повторно мультиплексировать соответствующие выходные симплексные каналы.

Самомаршрутизирующаяся сеть с волновой адресацией SWANET (Self-routed Whve-length-Addressable NETwork) является улучшением бинарной BSPS архитектуры [30]. SWANET использует преимущества BSPS и WDM, в результате чего значительно увеличивается допустимое число различных адресов, устанавливаемых битами заголовков пакетов (рис. 22). SWANET имеет аналогичную BSPS структуру пакета. Заголовок, за которым следует поле данных, кодируется последовательностью из р битов, охватывая сразу несколько волновых каналов. Заголовок и поле данных используют один и тот же набор длин волн. Если число длин волн k, то каждый бит заголовка представляется единицей (есть сигнал) на одной из длин волн, в то время как на остальных k - 1 каналах сигнала в это время нет. Таким образом, полное число различных конфигураций заголовка (максимальное число оконечных узлов сети) составляет k^p.

Рис. 22

Для требуемой коммутации всего мультиплексного канала коммутатор устанавливает биты заголовка в соответствующее состояние. Завершение передачи пакета происходит посредством передачи сигнала "Сброс" на специальной длине волны, выделенной исключительно для этой цели. Поскольку сеть прозрачна по отношению к формату поля данных, то это поле может охватывать как одну интегрированную многоволновую передачу, так и множество не связанных между собой передач по индивидуальным каналам. В первом случае необходима синхронизация между полями данных различных каналов, во втором - такая синхронизация необязательна. Ограничением SWANET являются дисперсия и поперечные помехи.

Две различные техники кодирования предложены для реализации сетей с параллельной битовой коммутацией BPPS (bit-parallel packet switching): техника мультиплексирования поднесущих SCM (sub-carrier multiplexing) и техника многоволновой BPPS. Обе техники используют отдельные каналы в одном и том же ОВ для передачи данных и собственно заголовка, на основании которого происходит переключение состояний коммутаторов. Заголовок пакета передается теперь не последовательно, когда он предшествовал передаче поля данных пакета, а параллельно с данными, что позволяет увеличить пропускную способность.

В технике SCM данные и заголовок кодируются как две различные поднесущие оптического носителя и далее передаются одновременно (рис. 23 а). SCM позволяет эффективно использовать имеющийся спектр за счет ограничений битовой скорости, которая должна быть меньше, чем частота поднесущей. Таким образом, техника SCM полезна когда весь спектр сигнала данных ограничен, т. е. битовая скорость данных не очень высока.

Рис. 23

SСМ имеет ряд ограничений применительно к AON и главное из них связано с невозможностью избежать сложных электронных преобразований поднесущих заголовка и данных в коммутаторе, так как перед началом коммутации данные и заголовок должны быть демультиплексированы. Второе ограничение связано с характером распространения сложного сигнала по ОВ. Поскольку заголовок и данные мультиплексированы в канал одной и той же несущей частоты, то передатчик, имеющий ограниченные ресурсы, должен обеспечить достаточную мощность для каждого сигнала, что уменьшает мощность сигналов по отдельности.

Модификацией SCM является метод, при котором данные передаются на основном носителе, а заголовок мультиплексируется на поднесущую. В этой технике частота поднесущей не ограничивает битовую скорость передачи данных. Поскольку заголовок не требует высокой битовой скорости передачи, то для него предельное соотношение с/ш может быть значительно ниже, что допускает без ущерба большее затухание сигнала в волоконно-оптической линии. Данный метод демонстрировался для скорости передачи данных 2,5 Гбит/с и для заголовка 40 Мбит/с, который мультиплексировался на поднесущую шириной 3 ГГц [31].

Многоволновая параллельная битовая коммутация - это техника кодирования, при которой для данных и для заголовка приписываются различные наборы длин волн [32]. В отличие от традиционного волнового мультиплексирования, где каждый пакет связан с определенной длиной волны, в этой технике пакет (как и заголовок) связывается с несколькими длинами волн (рис. 23 6).

Ряд особенностей делают эту технику более предпочтительной по сравнению с SCM для использования в AON. Во-первых, простая оптическая фильтрация волновых каналов выполняется легче, чем радиочастотное выделение поднесущих. Во- вторых, можно выполнить кодирование заголовка, так что заголовок будет распознаваться коммутатором, а коммутация будет происходить на пакетных скоростях вместо скоростей данных. И, наконец, поскольку отдельные источники излучения используются для каждой длины волны, то не возникает проблемы, связанной с потерей мощности.

9. Архитектура AON

AON могут строиться на любом масштабе: от локального, например объединяя парк суперкомпьютеров, до глобального, где в перспективе они, безусловно, займут место главных магистралей. Общая структура глобальной информационной сети может быть весьма разнообразной, столь же разнообразной, как и число различных приложений, которые в ней используются [2]. Положение оптического уровня или уровня AON в контексте архитектуры глобальной сети показано на рис. 24. В самом оптическом уровне, который, в общем случае, имеет иерархическую структуру, выделяют три подуровня Уровень-0, Уровень-1 и Уровень-2 (рис. 25).

Рис. 24

Оптический терминал ОТ - это узел сети, на котором завершаются владения AON. На этом узле поступающие сигналы стандартных приложений преобразуются в форму, предназначенную для обработки промежуточными узлами AON. На этом узле еще допускаются оптоэлектронные преобразования.

Пример 1 работы ОТ: приходящий электрический сигнал 100Base-ТХ дуплексного канала Fast Ethernet преобразуется в оптический сигнал на определенной длине волны из окна 1,55 мкм,

Пример 2: на оптический терминал поступает несколько оптических сигналов АТМ (622 Мбит/с) по многомодовому ОВ на длине волны 1,33 мкм, которые преобразуются в гребенку разных длин волн в соответствии с частотным планом.

Оптический терминал должен оснащаться узкополосными лазерами. В него могут быть интегрированы другие элементы AON, например, перестраиваемые оптические фильтры, системы волнового мультиплексирования и др.

Рис. 25

Уровень-О. Этот уровень определяет пассивную широковещательную AON локального масштаба с небольшим (до нескольких десятков) числом оконечных узлов сети. Характерными элементами, организующими сеть этого уровня являются оптические комбайнеры/разветвители, фильтры. Элементы сети Уровня-0 напрямую взаимодействуют с оптическими терминалами, и с элементами сети Уровня-1, если таковые имеются. Примером служить сеть Rainbow-1. Вариант подключения элементов сети в пределах Уровня-0 показан на рис. 26.

Уровень-1. Этот уровень определяет AОN с пассивной волновой маршрутизацией. Характерными элементами этого уровня являются устройства волнового мультиплексирования и демультиплексирования. Вариант подключения элементов сети в пределах Уровня-1 показан на рис. 2

...