CC BY
49
20 декабря 2011 г. 12:12
ТЕХНОЛОГИИ ИНФОРМАЦИОННОГО ОБЩЕСТВА
Диалектика оптимизации BOJ1C
Несмотря на то, что технологии современных ВОЛС достигли высокой степени совершенства, динамика их эволюции под лозунгами 'все дальше” и 'все быстрее" не снижает темпы и сегодня. Параметры ВОЛС находятся в диалектической взаимосвязи, которая выражается в том, что улучшение одних вызывает ухудшение других. Обсуждению злой проблемы посвящена данная статья.
Меккель А.М.,
ФГУП ЦНИИС, зам. директора по науке, к.т.н.,академик МАС и МАИ, mekkel@zniis.ru
1. Достигнутые результаты
Волоконно-оптические линии связи (ВОЛС) являются в настоящее вреыя основными транспортными средствами телекоммуникационных сетей. Эволюция ВОЛС насчитывает не один десяток лет. За этот период эта техника достигла высокой степени совершенства. Особенно важным в процессе совершенствования ВОЛС явился этап разработки и внедрения технологии мультиплексирования с разделением по длинам волн (Wavelength Division Multiplexing — WDM). Уже в конце прошлого века, благодаря использованию WDM, был достигнут терабитный уровень пропускной способности ВОЛС в целом и 40 Гбит/с для каждого оптического канала. В качестве примеров можно назвать аппаратуру фирмы Lucent Technologies (до слияния с Alcalel) типа WaveStar OLS-40G и аппаратуру фирмы Siemens (до слияния с Nokia) типа TransXpress МТ5-2. Что касается современного оборудования DWDM, то некоторые примеры представлены в таблице 1.
Несмотря на достигнутые внушительные показатели, динамика развития ВОЛС лсд лозунгами "все дальше" и "все быстрее” не сни-жоет темпы и сегодня.
В последние годы сотрудниками Лабораторий Белла (BellLabs), научно-исследовательского подразделения компании Alcatel-Lucent, достигнут рад рекордных результатов. Так в рамках ежегодной европейской конференции и выставки по оптической связи (European Conference and Exhibition on Oplcal Communication — ECOC) в сентябре 2009 г. было представлено рекордное достижение — 108,5 Пбит/с-км (155 оптических каналов с пропускной способностью 100 Гбит/с на расстояние 7000 км). В сентябре 20 Юг. в рамках ЕСОС была проведена презентация системы DWDM длиной
1600 км с рекордной пропускной способностью оптических каналов 606 Гбит/с.
Если говорил» о прогнозах, то согласно исследованиям Лабораторий Белла к 2012 г. можно ожидать появления на рынке систем DWDM с эквивалентной пропускной способностью порядка 10 Тбит/с за счет организации 80-100 спектральных каналов с пропускной способностью по 100 Гбит/с. Более того, в течение ближайшего десятилетия прогнозируется доведения скорости передачи по одному каналу WDM до 1 Тбит/с и системы в целом — до 100 Тбит/с
Естественно, такие рекордные величины вызывают чувство гордости и надежды на безграничные возможности науки и техники.
Однако возникает вопрос, являются ли ВОЛС с рекордными показателями оптимальными?
2. Проблемы оптимизации ВОЛС
Оптимизация (от лат. optimum — наилучшее) означает поиск наилучшего решена, то есть выбора наилучшего (оптимального) варианта из множества возможных. В математике решение задачи на оптимизацию представляет собой процесс нахождения экстремума (глобального максимума или минимума) определенной функции. Наиболее надежным способом нахождения наилучшего варианта является сравнительная оценка всех возможных вариантов (альтернатив). Применить эти методы можно, если есть строгая постановка задачи: задан набор переменных, установлена область их возможного изменения (заданы ограничения) и определен вид целевой функции (функции, экстремум которой нужно найти) от этих переменных.
Применительно к ВОЛС, в которой используется технология WDM, такими переменными являются следующие параметры:
• количество оптических каналов, образованных в оптическом волокне (ОВ) с помощью технологии WDM;
• пропускная способность отческого канала;
• протяженность элементарного кабельного участка (ЭКУ);
Примеры современных систем DWDM с пропускной способностью канала 40 или 100 Гбит/с
Таблица 1
Компания llu шанце системы Количество каналов Пропускная способное і ь Гбит/с
Канала Системы
Alcatel-Lucent Alcatel-Lucent 1625 LambdaXtreme 128 10/40 1280/5120
Huavvci OptiX BWS I600G 80/40 10/40 800/1600
OptiX OSN 6X00/3800 от 0.016 до 40
Ciena Optical Metro Edge - OME 6500 88 10/40/100 до 8800
Common Photonic Layer 36/88 от 1.25 до 40 до 3520
NEC SpectralWavc DW4200 до 40
Spectral Wave MN4I00 до 40
Nokia Siemens SURPASS hi ! 7500/7300 80 40 3200
T-Comm, #8-2011
65
• протяженность ВО/1С;
• количество Об в кобеле.
Основньши целевыми функцией при оптимизации ВОЛС могут быть:
• максимальная пропускная способность ВОЛС;
• максимальная пропускная способность ОВ;
• максимальная протяженность ЭКУ;
•максимальная протяженность ВОЛС;
• минимальные затраты.
При нахождении экстремума целевой функции часть параметров полагаются заданными.
Диалектический характер оптимизации ВОЛС определяется следующими обстоятельствами:
• множеством целевых функций, несовпадением их оптимумов и невозможностью в общем случае определить наилучшее соотношение между ними;
• взаимозависимостью параметров ВОЛС и "противоречивый" характер их влияния на значение целевых функций;
• многовариантностью достижения заданных значений некоторых целевых функций.
Рассмотрим эту диалектику несколько более подробно.
3. Пропускная способность ОВ и длина ЭКУ
Пропускная способность ОВ, или, что то же самое, пропускная способность системы '//ОМ, равняется пропускной способности оптического канала, умноженной на количество таких каналов, образованных в данном ОВ.
Пусть в качестве целевой функции оптимизации принята максимизация пропускной способности ОВ. Очевидно, ЧТО увеличение пропускной способности ОВ может был» достигнуто либо за счёт увеличения количества оптических каналов (путем расширения используемой полосы пропускания ОВ и/или уменьшения шага установки оптических несущих частот), либо за счет увеличения пропускной способности оптического канала, либо за счет комбинации обоих способов. Определение наиболее выгодного соотношения между пропускной способностью каналов системы \М)М и их количеством является типичной задачей на оптимизацию.
Диалектика данной задачи заключается в том, что увеличение числа оптических каналов требует уменьшения шага установки оптических несущих частот, что, в свою очередь, приводит к уменьшению полосы пропускания каналов и, тем самым, ограничивает их пропускную способность.
Известно, что каждый тип ОВ имеет пороговое значение мощности оптического сигнала, вводимого в волокно. Превышение этого порога вызывает недопустимые нелинейные явления при передаче си тала. Величина порога зависит от площади эффективного сечения ОВ и соответствует для стандартного ОВ уровню + 17 дБм, а для специализированного ОВ уровню ♦ 25-30 дБм.
В ВОЛС с использованием технологии \МЭМ мощности всех передатчиков (их количество определяется количеством используемых длин волн, или спектральных каналов) суммируются:
Рто, = Р™»+,019т
Ртак'Ртш,+ 10|9т
где р^ — максимально допустимьм уровень сигнала в одном спектральном канале; Рпт — максимально допустимый уровень группового оптического си тала (суммарный уровень передачи всех спектральных каналов), который можно ввести в ОВ, не вызывая существенных нелинейных явлений; т — количество спектральных каналов в ОВ.
Отсюда следует, что чем больше в системе каналов, тем меньше допустимая мощность передатчика в каждом из них. Уменьшение допустимой мощности передатчика приводит к уменьшению перекрываемого затухания и, следовательно, к уменьшению длины ЭКУ Увеличение пропускной способности оптического канала в условиях заданной полосы пропускания возможно за счёт применения эффективных методов модуляции оптической несущей частоты. Результат измеряется в количестве переданных битов, приходящихся на один герц полосы пропускания канала. Основываясь на результатах, полученных на более низких частотах, можно предположить, что величина, характеризующая пропускную способность канала системы DWDM, не сможет заметно превысить 3 бит/Гц. Это означает, что для реализации прогнозируемой пропускной способности 1 Тбит/с шаг оптических несущих (с учетом требований на расфильтровку) должен быть не менее 400-500 ГГц Такой шаг (spacing) присущ системам CWDM с небольшим числом спектральных каналов. Возникает дискуссионный вопрос что лучше 1 Тбит/с при шаге 400-500 ГГц или 40 Гбит/с при шаге 25 ГГц?
Итак, увеличение пропускной способности канала может быть осуществлено либо за счет расширения полосы пропускания, либо за счёт усложнения метода модуляции. Расширение полосы пропускания канала ведет, как уже указывалось, к увеличению шага установки оптических несущих чостот и к уменьшению их количества. Поэтому далеко не во всех случаях увеличение скорости передачи в канале системы WDM увеличит ее эквивалентную пропускную способность в целом. Следует также учитывать, что усложнение метода модуляции ведет к уменьшению отношения сигнал/шум в канале и к уменьшению длины ЭКУ Кроме того, сложные методы модуляции существенно затрудняют реализацию регенерации (типа 3R) сигнала в пределах ВОЛС
Минимально допустимый уровень приема (который также определяет длину ЭКУ) зависит от скорости передачи и теоретически возрастает на 1 Oig к дБ при увеличении скорости передачи в к раз. Таким образом, увеличение пропускной способности канала еще и по этой причине приводит к сокращению длины ЭКУ
4. Пропускная способность оптических каналов как целевая функция
Вопрос состоит в том, что можно ли (или, вернее, целесообразно ли) рассматривать максимизацию пропускной способности оптического канала в качестве целевой функции оптимизации.
Проблема увеличения пропускной способности оптических каналов при решении задачи оптимизации ВОЛС (в случае максимизации пропускной способности ОВ как целевой функции) рассмотрена в предыдущем разделе.
Рассматривать увеличение пропускной способности оптических каналов как самоцель может быть оправдано желанием передать по каналу системы WDM телекоммуникационный сигнал, который принципиально имеет скорость передачи, превышающую некоторую величину. Иначе говоря, при необходимости согласовать требуемую скорость передачи сигнала с пропускной способностью канала. Следовательно, вопрос сводится к тому, имеются ли сигналы, которые нельзя разделить на части (так называемые "моносигналы") требующие увеличения пропускной способности оптических каналов систем WDM.
На скорости 40 Гбит/с обрывается иерархический ряд SDH, что связано с ограниченностью быстроцействю электронной элементной базы. Но даже передача сигнала SDH уровня STM-256 в одном канале не является принципиально обязательной, т.к. 5ТМ-256 не является "моносигналом" (т.е. не мультиплексированным сигналом), а представляет собой продукт временного мультиплексирования (Time
66
T-Comm, #8-2011
Division Multiplexing — TDM). Иноче говоря, вместо передачи агрегатного сигнала STM-256 по одному спектральному каналу можно, например, передать четыре компонентных сигнала STM-64 по четырем каналам.
В настоящее время единственным сигналом "быстрее" 40 Гбит/с является еще не полностью стандартизованный стогигабитный Ethernet (100GE).
Уеел^ение скорости клиентских сигналов систем WDM свыше 40 Гбит/с возможно за счет применения оптического временного мультиплексирована (технология Optical Time Division Multiplexing — OTDM) Однако такие клиентские сигналы не относятся к категории "моносигналов", и мотивация их формирования может быть связана с уже рассмотренным стремлением увеличить пропускную способность системы WDM в целом.
Итак, бороться за увеличение пропускной способности канала сверх достигнутых в настоящее время велкнин не обязательно вследствие отсутствия "моносигналов" с соответствующей скоростью передачи. Ответ на вопрос "нужно ли" может дать решение достаточно сложной комплексной задачи, причём этот ответ будет зависеть от рада дополнительных условий (дальность связи, тип волокна и т.п.).
5. Планирование инноваций
При планировании инноваций, к которым относится ныне продолжающееся развитие ВОЛС под лозунгами "все дольше" и “все быстрее", необходимо ответить на следующие вопросы:
1. Возможно ли (имеется в виду принципиальная возможность)?
2. Нужно ли?
3. Цена вопроса?
4. Стоит ли?
Из перечисленных вопросов только на первый можно с уверенностью дать положительный ответ. Рассматривая вопрос "возможно ли", большинство учёных не руководствуются только прагматическими соображениями, которые подразумеваются в остальных вопросах. Тут двигателями прогресса могут являться и чисто научный интерес, тяга к открытиям нового, желание быть первыми и тд. Применительно к проблеме передачи информации со скоростью 40 и 100 Гбит/с в спектральных каналах систем DWDM в настоящее время все ясно (см табл. 1). О возможности дальнейшего увеличения пропускной способности каналов систем WDM свидетельствуют теоретические и успешные лабораторные исследования.
На второй, третий и четвертый вопросы трудно ответить столь однозначно. Дискуссионный характер ответов на эти вопросы вызван соображенкв^ми, которые излагаются ниже.
Ответ на вопрос "нужно ли" зависит от результатов решения конкретной задачи на оптимизацию, о диалектическом характере которой уже говорилось.
Теперь о вопросе "стоит ли". Естественно, что дальнейшее увеличение пропускной способности оптического волокна сверх достигнутых на сегодняшний день впечатляющих результатов требует значительных затрат на исследована и реализацию. Судя по ценам на аппаратуру SDH уровня STM-256 само формирование сигнала для загрузки оптических каналов с пропускной способностью выше 40 Гбит/с обойдется весьма недешево.
Можно сформулировать задачу на оптимизацию. Например, получить требуемую пропускную способность и/или дальность системы WDM при наименьших затратах или при заданных затратах получить наибольшую пропускную способность и/или дальность.
Что касается кардинального вопроса "стоит ли", то ответ зависит от сопоставления результатов анализа задач "нужно ли" и "цена вопроса". Это сопоставление позволит в какой-то мере решить, стоит ли браться за практическое решение той или иной инновационной проблемы. Применительно к оптимизации ВОЛС в дополнение к вышеизложенному следует учитывать и такой практический фактор как увеличение масштабов бедствия при обрыве оптического кабеля по мере увеличения его пропускной способности. Необходимость дублирования ВОЛС по территориально разнесенным трассам, по крайней мере, удваивает капитальные затраты,
6. Заключение
Подводя итоги, еще раз перечислим факторы, обусловливающие диалектику оптимизации ВОЛС:
• множество целевых функций, несовпадение их оптимумов и невозможность в общем случае определить наилучшее соотношение между ними;
• взаимозависимость параметров ВОЛС и антагонистический характер некоторых их них;
•многовариантность достижения заданных значений некоторых целевых функций.
•дискуссионный характер выбора максимизации пропускной способности оптического канала в качестве целевой функции.
Проблема оптимизации ВОЛС является сложной задачей, требующей комплексного подхода и учета конкретных условий. Чрез-вьмайно важен при этом и технико-экономический аспект оптимизации. При всем при этом автор вовсе не ставил целью данного доклада показать бесперспективность работ по увеличению пропускной способности каналов систем WDM свыше некоторого предела.
T-Comm, #8-2011
67
