CC BY
88О разработках в России оборудования спектрального мультиплексирования
для CWDM-сетей и для ВОСП-NGN
Игорь ЛУКИН, к. т. н.
Владислав УДОВИЧЕНКО, к. т. н. Сергей ЛЕБЕДЕВ ИгорьТОЛСТИХИН
Рассмотрены вопросы состояния и перспектив разработок отечественного оборудования для ВОСП со спектральным мультиплексированием. Отмечены возможности эффективного применения технологии CWDM для оснащения и расширения функциональных возможностей оборудования сетей средних масштабов (корпоративных, региональных) на примере комплекса МКСС. Выдвинуты схемотехнические и методические предложения по проведению разработок оборудования оптического DWDM-слоя для сетей следующего поколения (NGN), отвечающего современным требованиям.
Введение
В обзорных статьях ведущих российских специалистов [1-5] проведен обстоятельный анализ динамики и технических направлений
развития телекоммуникационной отрасли, в них освещаются многочисленные вопросы подхода к технической и технологической проблематике создания сетей волоконнооптической связи нового поколения NGN
(Next Generation Network), в которых технология спектрального мультиплексирования (WDM) играет ключевую роль.
В мировой практике уже довольно давно применяются разнообразные виды воло-
/ Зона обслуживания \ / Зона обслуживания \
/ nr-к \ / ОС-5 \
Зона обслуживания ОС-7 (Каналы 4,7,8)
пґ'м и І \ ОСМ-К
осм* \ \ г—, ос_6
□ ОС-7 \ L-К,
ОСМ-К
Зона обслуживания
/ 0С"3 (Каналы 2,8)
' до 120км
/ Зона обслуживания Q ' ОС-8 СМД
(Каналы 5, 6, 8)
СМВВ-1М
Зона обслуживания ОС-9 (Каналы 2, 8)
Зона обслуживания ОС-2 (Каналы 1, 7,8)
Рис. 1. Примерная схема оптического слоя CWDM-системы с кольцевой структурой сети многотерминального типа
Блок питания I у Блок канала у телемеханики Блоки канальных транспондеров Блоки 4-канальных мул ьти/де мул ьта-плексоров
Блок 8-канального мул ьта /демул ьтп-плексора
Блок контроля сЖКИ
Ингайійсньїйюки Блокіи»ль™/демульти- БлокУКС плексирования CWDM
Рис. 2. МКСС — интегрированная мультисервисная платформа с функциями спектрального уплотнения €№04 для создания оптического слоя с повышенной
емкостью и эксплуатационной маневренностью в сетях различной топологии
Рис. 3. ОСМ-К — мультисервисная платформа NG SDH
для уровней STM-1/4/16 в сетях связи с применением CWDM-технологии
Рис. 4. СМВВ-1М — компактный SDH-мультиплексор уровня STM-1, предназначенный для работы в составе оптических сетей любого назначения с функциями ввода/вывода и кросс-коммутации
£11 Абонентские Коммутатор КИ Интерфейсные Коммутатор, Синхр., СС Линейные Контроль/
блоки МП (7 шт.) на 252 Е1 (7560 КИ) блоки СТМ (основной и резервный) блоки СТМ1 /4 управление
Рис. 5. СМД — синхронный мультиплексор с абонентским доступом для комбинированного решения задач транспортного уровня SDH с широким набором абонентских интерфейсов
конно-оптических систем, работающих на основе как плотного (DWDM, ITU-T G.694.1), так и разреженного (CWDM, ITU-T G.694.2, G.695) мультиплексирования. Многими зарубежными фирмами освоен выпуск линейного оборудования (терминального, промежуточного, кабельного) не только для наземных, но и для подводных систем практически любого назначения [6]. Дальнейшие разработки направлены на оптимизацию функциональных элементов и системы автоматизированного эксплуатационного режима оптического слоя WDM применительно к эффективному использованию универсальной технологии передачи цифровой информации по сети OTN (Optical Transport Network, ITU-T G.872, G.709/Y1331).
Что касается нашей страны, можно констатировать, что уровень развития информационной инфраструктуры, объем и характер прогнозируемого трафика, да и сами имеющиеся производственные и технологические ресурсы сейчас еще не соответствуют актуальной востребованности вышеупомянутых разработок. Количество отечественных предприятий, разрабатывающих и выпускающих комплексы WDM-оборудования, характеризуется единицами. К наиболее продвинутым относится фирма «Связь-Электро М» [7], разработавшая мультисервисную платформу «Пуск» [8], успешно применяемую на магистральных линиях СНГ [9]. Оборудование «Пуск» построено на основе технологии DWDM, эффективной при передаче весьма больших информационных потоков. Однако потребность в таких объемах ограничивается несколькими наиболее развитыми центрами, а в большинстве периферийных проектов (регионального, корпоративного и другого масштаба), по крайней мере на обозримую перспективу, целесообразно, по нашему мнению, при проектировании информационной инфраструктуры тщательно рассматривать возможности оборудования на основе технологии CWDM, которая обеспечивает провайдерам ряд преимуществ. К ним относятся значительно меньшая стоимость аппаратуры, меньшее энергопотребление и меньшие
эксплуатационные расходы [10]. При этом отнюдь не обязательно оснащать узловые пункты сети «самыми современными» моделями телекоммуникационного оборудования, усиленно рекламируемыми зарубежными фирмами. Реальная эффективность использования, а главное, стоимость и долговременная надежность техобслуживания такого оборудования вряд ли будут близки к оптимальным, учитывая специфику информационной структуры в большинстве регионов нашей страны.
В качестве примера возможного построения оптического слоя региональной сети CWDM кольцевого типа (а сети с топологией замкнутого кольца получили, пожалуй, наибольшее распространение среди возможных архитектур построения) приведем вариант сети многотерминального типа (рис. 1),
оборудованный отечественными образцами мультисервисных платформ и мультиплексоров, разработанных и выпускаемых петербургской фирмой «Супертел». Их общий вид показан на рис. 2-5, а подробные технические характеристики, обеспечивающие простоту и надежность абонентского доступа в любой точке сети, а также автоматизированное управление эксплуатационным режимом (ПО «Супертел-NMS»), подробно изложены в соответствующих ТУ и РЭ [11] на эти изделия.
На схеме (рис. 1) локальные зоны обслуживания со своими центральными оконечными станциями (ОС-1...ОС-9), оснащенными мультисервисными платформами ОСМ-К ^ТМ-1..^ТМ-16, до восьми каналов CWDM), имеют возможность связи между собой или циркулярно (канал 8) по спектрально-
мультиплексированным каналам, формируемым платформами МКСС с функциями CWDM, установленными на кольцевых станциях ввода/вывода (КС-1...КС-8). Эти платформы обеспечивают эксплуатационные возможности:
• организация трафика по одной паре линейных волокон до 20 Гбит/с (8x2,5 Гбит/с, STM-16);
• организация произвольной архитектуры OADM (ввода/вывода CWDM-каналов) в составе используемой топологии сети;
• полнодоступная коммутация 4x4 всех каналов линейного CWDM-сигнала независимо от других каналов трафика;
• автоматизированный эксплуатационный мониторинг всего оборудования CWDM-слоя с применением ПО «Супертел-NMS»;
• реализация любой из аппаратурных схем, предусмотренных стандартом ITU-T G.695, и резервирование (1 + 1) с соответствующим комплектом ЗИП из минимального набора унифицированных функциональных блоков.
На современном уровне развития и состояния российских сетей и комплексов волоконно-оптических систем передачи информации можно исходить из того, что наиболее эффективно технология разреженного мультиплексирования CWDM может использоваться при решении задач расширения емкости уже существующих городских и региональных ВОСП, поскольку во многих случаях при этом исключается необходимость полной и дорогостоящей переделки аппаратуры и интерфейсного оборудования [12]. Однако, как определенно следует из большого числа публикаций [13-15], значительные научные и технологические ресурсы в мире направлены на разработку основ построения сетей следующего поколения, NGN (Next Generation Network). Так что для отечественной отрасли ВОСП сейчас уже недостаточно общих аналитических и обзорных материалов как руководства к действиям, а необходима конкретная постановка задач и наметок алгоритма их решения. В этой связи мы далее представим некоторые наши соображения.
Основная концепция развития информационных сетей нового поколения (NGN)
Основной концепцией развития информационных сетей нового поколения (NGN) на обозримую перспективу является концепция построения оборудования полностью оптических транспортных сетей OTN (Optical Transport Network), появление, разработка и детальная регламентация которой позволяют успешно совместить гибкость и надежность хорошо разработанной технологии SDH с рекордной пропускной способностью, присущей системам DWDM. При этом в оптическом слое сети реализуются функциональные возможности, характер-
ные для систем SDH, а благодаря отсутствию в OTN электронных блоков обработки сигналов, вносящих специфические ограничения, обеспечивается возможность формирования и обработки информационного трафика вплоть до мультитерабитных объемов.
Эта сеть состоит из трех основных функциональных составляющих: линии передачи, интеллектуальных маршрутизаторов и перестраиваемых (или спектрально-селективных) оптических и оптоэлектронных компонентов. Характеристики OTN предусматривают обеспечение всех требований к информационным системам следующего поколения: масштабируемость, мультисервисность, возможность коллективного использования ресурсов различных операторов услуг связи, прозрачность для пользователей, высокий уровень надежности и качества передачи. OTN базируется на DWDM-технологии, регламентированной упомянутыми выше стандартами ITU-T. Несущие длины волн и оптические пути в OTN нового поколения коммутируемы с высокой скоростью и полностью оптически. Суммарная скорость цифровой передачи в оптических линиях — порядка десятков или, возможно, сотен Тбит/с. Пропускная способность в отдельных каналах может достигать мультигигабит/с. Структура сетевой топологии будет преимущественно ячеечной (с малыми размерами ячеек) вместо больших кольцевых систем. OTN на пользовательских терминалах будет обеспечивать полную, неограниченную функцию BOD (Bandwidth-on-Demand — полоса по требованию). Густая сетевая структура OTN создает предпосылки для весьма высокой надежности. Применение технологии DWDM обеспечивает OTN практически бесконечную пропускную способность. Граничные маршрутизаторы гарантируют высокую интеллектуальность OTN.
Слой OTN образует базу для служебной оптической сети SON (Services Optical Network). Эта сеть представляет собой оптический слой управления, дающий возможность полного управления сетью в отношении ее топологии, идентификации ресурсов, динамичного распознавания возможностей маршрутизации и оперативного установления световых путей. Введение интеллектуальной оптической управляющей платформы SON (которая в будущем может быть отдельной сетью) изменит характер использования ВОСП, который существует сейчас. SON предоставит широкий выбор конфигурируемых приложений, используемых конечными пользователями (абонентами). Основную часть управления и интеллект для этих приложений целесообразно разместить (рассеять) в SON.
Архитектура OTN подробно излагается в стандарте G.872, где объяснено принципиальное значение использования WDM-технологии в составе высокоскоростных ВОСП. Стандарт G.709/Y.1331 определяет
режим использования FEC (Forward Error Correction — упреждающее исправление ошибок) и функции интерфейсов OTN. Модель формирования структуры транспортного потока, как и в SDH-технологии, характеризуется функцией добавления заголовков (Wrapped Over Head, WOH), что дает возможность мониторинга и управления любого из действующих оптических каналов, как и при формировании транспортных модулей STM.
Начальный этап разработки оборудования для DWDM
На начальном этапе отечественных разработок оборудования для DWDM следующего поколения мы считаем необходимым реализовать блок-схемы базовых узлов оборудования, формирующего оптический слой, достаточно современных и технологически выполнимых в основном на базе серийно выпускаемых компонентов. Оптимизированные базовые узлы в дальнейшем могут быть приняты в качестве типовых. Такими узлами являются терминал системы, транзитный узел с линейной ретрансляцией, реконфигурируемый мультиплексор ввода/вывода (ROADM), включая вариант коммутационного узла для ветвящейся топологии.
Прототип оконечного узла
В качестве прототипа оконечного узла мы рассматриваем схему, представленную на рис. 6.
В секцию СФГС входят блок защитной коммутации передаваемых каналов (БЗК), который предусматривает возможность аварийного или резервного переключения каналов входного трафика и является интерфейсом между подводимыми сигналами информационного трафика и набором блоков обработки канального сигнала, каждый из которых имеет линейку передачи Tx (транспондер с кодером FEC (код Рида-Соломона 255/239) и выходной длиной волны лазера-передатчика, соответствующей номеру канала в составе группового сигнала, а также регулируемый компенсатор дисперсии РКД) и линейку приема Rx, в состав которой входят РКД и трансивер с декодером FEC.
Предполагается, что в пользовательских каналах информационного трафика применяется новый стандарт для следующего поколения оптических сетей с высокими битовыми скоростями (2,5 Гбит/с или больше). Это стандарт ITU-T G.709, разработанный для OTH (Optical Transport Hierarchy — оптическая транспортная иерархия). Этот стандарт объединяет полезные свойства SDH-стандарта с новыми требованиями современных услуг и приложений. Кроме того, обеспечиваются новые возможности для мониторинга качества сигнала и его искажений, такие как TCM (Tandem Connection Monitoring — последовательный мони-
Рис. 6. Блок-схема терминального оборудования DWDM-системы:
СФГС — секция формирования группового сигнала; СФЛС — секция формирования линейного сигнала; СПрЛС — секция приема линейного сигнала; СТМ — секция телемеханики
торинг соединений) и FEC (Forward Error Correction — упреждающая коррекция ошибок). Каждый вид битовой скорости пользовательского сигнала может быть эффективно введен в кадры ODU-1, ODU-2, ODU-3 (Optical channel Data Units) со скоростями 2,5, 10 и 40 Гбит/с.
Регулируемый компенсатор РКД за счет применения дисперсионно-компенсирую-щего волокна (КД) может в принципе быть выполнен так, чтобы компенсировать дисперсию сигнальных длин волн в тракте каждого приема и передачи и применять VIPA (Virtually Imaged Phased Array) — технологию регулируемой компенсации дисперсии, первоначально разработанную в Fujitsu [16]. Эта технология позволяет обеспечить оптимальное значение дисперсии на каждой длине волны путем индивидуальной компенсации для каждой Xi. Более того, индивидуальная компенсация дисперсии с помощью VIPA делает возможной автоматическую оптимизацию. При этом величина вводимой компенсации должна контролироваться таким образом, чтобы соблюдалось условие низшей величины коррекции ошибок, устанавливаемое протоколом FEC через компенсацию дисперсии на приемной стороне VIPA.
Выходные сигналы передатчиков всех N каналов подаются на вход блока автоматической регулировки уровней (БАРУ), который является входным устройством секции СФЛС. Решетка электронно-управляемых оптических аттенюаторов БАРУ обеспечивает равенство (или необходимое взаимное соотношение) уровней всех канальных сигналов, подаваемых на оптический мультиплексор группового сигнала ОМГС, объединяющий их перед подачей на вход двухкаскадного
(Б (1) ^ КД ^ Б (2)) бустер-усилителя, собранного на двух оптических эрбиевых усилителях УВЛЭ.
Далее групповой оптический сигнал проходит через широкополосный оптический направленный ответвитель (ОНО) с высоким коэффициентом деления. Небольшая часть выходной мощности подается на входной оптический порт анализатора уровней группового сигнала (АУГС), включенного в цепь обратной связи, управляющую блоком БАРУ. Затем групповой сигнал проходит через ОИФТМ — оптический интерфейс, посредством которого в тракт вводится сигнал канала ТМ, завершая тем самым формирование линейного сигнала (ЛС). Для общности на схеме изображен также еще один усилительный каскад — оптический усилитель на вынужденном комбинационном рассеянии УВКР (Раман), который может включаться в состав оконечного оборудования при необходимости повышения энергетического потенциала на пассивном участке (пролете) линейного тракта.
Секция СПрЛС по схеме включения и составу своих компонентов близка к СФЛС, но параметры выбираются, исходя из требований «обратного» алгоритма обработки ЛС: на входе секции малошумящий УВКР (Раман), затем оптический стык ОИФТМ, выводящий канал ТМ из состава ЛС, далее двухкаскадный усилитель на малошумящих УВЛЭ (Пр (1) ^ КД ^ Пр (2)), коэффициенты усиления которых регулируются цепью обратной связи ОНО ^ АРУГС ^ УВЛЭ для нивелирования значительных колебаний мощности принимаемого ЛС. После общего усиления групповой сигнал подается на входной порт оптического демультиплек-
сора ОДМГС, с выходов которого канальные сигналы подводятся к соответствующим входам линеек приема Rx в блоках обработки канального сигнала. В составе линеек Rx имеются регулируемый компенсатор дисперсии РКД, декодер FEC и выходной трансивер.
Секция СТМ представляет собой, в сущности, интерфейс, связывающий «интеллектуальность» системы, которая определяется операционной системой управления (NMS) сетью в целом, с оборудованием терминала, в состав которого эта секция входит. Аппаратурный состав СТМ — это, во-первых, электронный блок БТМ с процессором, обеспечивающим оперативный стык с ПО NMS, сигналами службы внешнего техобслуживания терминального оборудования и коммутационными устройствами БЗК, а также обмен со всей служебной телеинформацией, циркулирующей в канале ТМ, общем для всех узлов активного линейного оборудования оптического слоя DWDM-системы. И, во-вторых, оптический приемопередатчик, выполняющий функции интерфейса уже между блоком БТМ и оптическим каналом, несущим служебную информацию обо всех устройствах линейного тракта.
Понятно, что разработка NMS в целом, соответствующей условиям «интеллектуальной достаточности» оптического слоя NGN,—это самостоятельное направление, представляющее такое же обязательное условие успешного проведения системных разработок, как и конструирование самих узлов линейного оборудования. Освещение таких разработок в России не отвечает на неизбежный вопрос: является ли при этих условиях необходимым обеспечение функционирования NMS под
Система эксплуатационной поддержки
Учет системных ресурсов
Система
управления
элементами
* Регистрация отказов *Синхронизация отказов
* Пороговое предупреждение *Диагностический мониторинг -считыв. SNMP, журнал регистр.
' *Дистанционное отслеживание
^Пересылка конфигурирования * Возрастающее конфигурирование *Уведомление об изменениях -программные -интерфейсные -интерфейсные по линии передачи команд
-протокол ТРТР
*Сбор данных *Экспорт данных -SNMP считывание массивов и файлов Пересылка с трафиком сети
Шина CNS Протокол HTTP М- эмуляции (клиринг терминала расчеты) (Telnet)
Программный пакет Cisco IOS
IOS-каталог инвестиционных возможностей
Рис. 7. Блок-схема FCAPS-управления для системы MPLS (фирма Cisco)
управлением ОС Windows в соответствии с рекомендациями ITU-T? В частности:
• G.8080, Architecture for Automatically Switched Optical Networks (ASON) — архитектура автоматически коммутируемых оптических сетей;
• G.7713, Distributed Call and Connection Control — распределенное управление запросами и соединениями;
• G.7714, Generalized Automated Discovery Techniques — обобщенные методы автоматического обнаружения;
• G.7715, Architecture and Requirements for Routing in Automatic Switched Optical Networks — архитектура и требования к маршрутизации в ASON и, возможно, ряда других — G.805 (обобщенная функциональная архитектура транспортных сетей), G.807 (требования к автоматически переключаемой транспортной сети, ASTN) и т. п.
Или следует руководствоваться моделью международной организации ISO, которая обозначается аббревиатурой FCAPS и отражает ключевые функции OAM (Operation, Administration and Maintenance) для сетевого менеджмента. Расшифровка аббревиатуры отражает содержание функций модели:
• F (Fault Management) — выявление и устранение отказов и проблем в сети, обработка аварийных сообщений и системных прерываний, тестирование и диагностика.
• С (Configuration Management) — мониторинг и контроль аппаратного и программного обеспечения сети.
• A (Accounting) — распределение и надлежащее использование сетевых ресурсов.
• P (Performance Management) — статистика работы сети в реальном времени, минимизация узких мест для трафика, анализ тенденций и планирование ресурсов сети.
• S (Security Management) — контроль доступа, защита от внешних и внутренних нарушителей.
В качестве иллюстративного примера NMS типа FCAPS можно привести обобщенную схему встроенного управления (рис. 7), разработанного фирмой Cisco для применения в системах с использованием технологии MPLS.
MPLS (RFC3031, Multiprotocol Label Switching — мультипротокольная коммутация на основе меток), вместе со своими производными — GMPLS и GMXS, является самой эффективной для передачи IP-трафика и, соответственно, оптимальна для работы в сети IP-ориентированных приложений, которые будут основными в трафике NGN [17]. Во всяком случае интеллектуальность повсеместно развернутых оптических сетей следующего поколения будет совершенно необходимым атрибутом с точки зрения будущих потребителей информационных услуг — как индивидуальных, так и групповых. Эти сети должны быть специализированы под спрос, под привычки пользователя, под его, если угодно, прихоти и даже, возможно, предубеждения. Так что имеющиеся сейчас в нашем распоряжении продукты класса ПО NMS (в том числе, конечно, и наша «Супертел-NMS») — это лишь первые этапы большого пути.
Прототип транзитного узла с линейной ретрансляцией
В качестве прототипа транзитного узла с линейной ретрансляцией (для краткости будем его обозначать аббревиатурой ТУР) мы рассматриваем на первом этапе ретранслятор с функциями только транзитной ретрансляции линейного сигнала (рис. 8). В состав ТУР входят две одинаковые усилительные линейки, ретранслирующие ЛС во встречных направлениях, и блок БТМ, определяющий режим работы обеих линеек и формирующий информационное содержание служебного сигнала, передаваемого к следующим пунктам по каналу ТМ.
Вход и выход каждой линейки может быть оснащен рамановскими оптическими усилителями с встречной принимаемому сигналу накачкой на входе ТУР и, соответственно, с попутной (сонаправленной) накачкой на выходе. Применение УВКР совместно с УВЛЭ в линейке усиления обеспечивает достижение наибольших значений энергетического потенциала в пролете линии. Например, по сообщениям компании MRV [18], новые модели рамановских усилителей позволяют получить для трассы DWDM значение >55 дБ, что соответствует дальности более 200 км.
Использование рамановских усилителей целесообразно исключительно для компенсации линейных потерь. Существенный недостаток усилителей этого типа состоит в требовании ввода в линию высокого уровня оптической мощности лазеров накачки — для обеспечения эффективной работы. Это влечет, как следствие, повышенную энергоемкость системы, нежелательные эффекты на любых неоднородностях волоконного тракта, особенно в случаях разрыва волокна. Тем не менее в составе оборудования дальних и сверхдальних магистралей рамановские усилители представляются весьма перспективными в качестве дополнительных или факультативных (необязательных) в дополнение к УВЛЭ. Например, если потери в линейном волокне пролета между двумя усилителями составляют 30 дБ или больше. Тогда такое дополнение может значительно улучшить величину энергетического потенциала в линии передачи или коэффициент шума для ЛС.
Усиленный сигнал на входе ЛС поступает на устройство ОИФТМ вывода канала ТМ, сигнал которого детектируется и отправляется в схему обработки служебной информации в БТМ. Далее групповой DWDM-сигнал через автоматический контроль уровней (АКУ) подается на вход основного усилительного блока — тандема двух УВЛЭ, каждый из которых имеет схему автоматической регулировки усиления (АРУ), демпфирующую изменения среднего уровня входного сигнала. Петля обратной связи ЭЛС — АКУ выполняет функции эквалайзера коэффициента усиления группового сигнала по всему рабочему диапазону. Оптический вентиль ОВ обеспечивает развязку между усилительными каскадами.
С выхода УВЛЭ(2) групповой DWDM-сигнал поступает на выходной оптический стык ОИФтМ, в котором к групповому сигналу добавляется канал ТМ от излучателя ЛДТМ, и далее полученный линейный сигнал либо непосредственно поступает в линию, либо дополнительно усиливается выходным УВКР (Раман). Линейка ретрансляции встречного направления устроена точно так же.
Если базовая схема ТУР будет соответствовать всем требованиям линейного ретранслятора для NGN, логично использовать ее для расширения функций до реконфигурируемого мультиплексора ROADM, включая оптический коммутационный узел. Такое расширение может в принципе быть эффективно выполнено с применением для локального ввода/вывода на трассе отдельных каналов новейшей спектрально-селективной компонентной базы [19].
Блок БТМ является электронным «топ-менеджером» для ТУР. Для обоих направлений передачи БТМ выполняет функции:
• Переприем всей информации, передаваемой по служебному каналу ТМ с включением сигналов, сформированных в самом БТМ.
• Формирование команд на выключение оптических усилителей (встречного УВКР и УВЛЭ) при возникновении аварийной ситуации (пропадание сигнала на входе ТУР) и ввод в канал ТМ соответствующих сигналов об аварии.
• Формирование ответных сигналов на запросы и команды системы NMS.
Процесс разработки отечественных NGN-систем
Организация процесса разработки отечественных NGN-систем требует новых методических правил и содержания этого процесса, который для нашей страны не является развитием накопленного ранее опыта, а представляет, по сути, новое направление
и должен вестись, по нашему мнению, совершенно другими методами, чем это принято для традиционных НИОКР. Остановимся на некоторых из таких методов, которые считает рациональными фирма «Супертел».
Целеваяразработка проекта под конкретную систему
При проектировании конкретных систем с применением WDM-технологии ОАО «Супертел» считает необходимым создание своеобразного конгломерата разработчиков собственно оборудования и заказчиков (будущих пользователей) проектируемой системы; этот конгломерат условно будем называть проектировщиком системы.
Поскольку, в конечном счете, телекоммуникационный сервис выражается в предоставлении соединений с затребованными источниками или получателями информации, проектировщик должен в каждом случае сопоставлять альтернативные решения, получаемые в домене SDH и в домене WDM, и выбрать наиболее подходящее из них. А на этот выбор могут оказывать влияние, кроме собственно телекоммуникационной услуги, дополнительные условия нормального эксплуатационного режима, например, требование структурной прозрачности для трафика, то есть отсутствия ОЕО-преобразований в промежуточных узлах. И наконец, учитывая чрезвычайно быстрый технологический прогресс в отношении новых функциональных модулей и компонентов для аппаратуры ВОСП, особенно применительно к оборудованию спектрального мультиплексирования, одна из основных проблем проектировщика должна состоять в учете свойств как уже используемых, так и вновь предлагаемых технологий, чтобы исключить необходимость полной и дорогостоящей переделки всей ВОСП всякий раз, когда реализуется новая волна технологических достижений в области компонентной базы.
Таким образом, общее проектирование архитектуры будущей информационной сети можно разбить на несколько шагов или этапов планирования, каждый из которых содержит подмножество задач, решение которых должно предшествовать следующей стадии.
Этап 1.
Анализ требований к трафику системы
Здесь предполагается, что известны физическая топология — расположение узлов — и предварительное размещение терминальных и транзитных пользователей ВОСП.
На этом этапе составляется матрица трафика: оценка входящего и исходящего трафиков для каждого узла, связи планируемых трафиков между узловыми парами. Кроме того, прогнозируются, насколько это возможно, вероятные эволюции связей и новые составляющие общего трафика, а также изменения их приоритетности.
Этап 2.
Разработка сетевой архитектуры
Исходя из результатов предыдущего этапа, сеть подразделяется по нескольким иерархиям или управляемым слоям с одинаковой или различной технологией во всех слоях.
Определяется сетевая топология для иерархии и слоя (линейная, ячеечная, кольцевая). Для каждой заявки на трафик между двумя точками, при которой этот трафик должен быть маршрутизирован через различные слои, определяются те узлы, в которых производится переключение из одного слоя в другой.
Этап 3. Проектирование сети и ресурсный расчет слоев
На этом этапе конкретизируется топологический проект каждой иерархии и каждого слоя, определенного для разрабатываемой сети.
После этого производится ресурсный сетевой расчет, то есть определяются ресурсы оборудования, которые необходимы для обеспече-
ния нормального функционирования сети, включая кабели (тип и число линейных волокон), оборудование всех типов узлов (терминальных, транзитных с устройствами промежуточного ввода/вывода, коммутационных), дополнительное контрольно-метрологическое оборудование, включая устройства системы эксплуатационного мониторинга.
Этап 3 может быть разбит на следующие подэтапы:
• проектирование и ресурсный расчет SDH-слоя;
• проектирование и ресурсный расчет WDM-слоя;
• проектирование физического слоя ВОСП;
• оптимизация всего проекта в целом.
Этап 4. Анализ работоспособности ВОСП
Этот этап имеет контрольно-проверочное предназначение. Цель — определение возможного наличия соединений, не согласующихся с исходными требованиями проекта. Анализ выполняется по алгоритму проверки на доступность соединений «точка к точке». При выявлении некорректности в отношении передачи трафика (блокирующая маршрутизация, нарушения трафика при аварийных реконфигурациях) разработчик должен внести необходимые поправки в результаты этапа 3: либо перепроектировать сеть, либо изменить схемы маршрутизации части соединений до обеспечения требуемых условий полной доступности всех соединений.
Этап 5. Анализ альтернативных вариантов
В процессе разработок на этапах 3 и 4 предполагается выявление определенного набора альтернативных сетевых решений, которые так же работоспособны, как и выбранный основной.
На этой стадии альтернативы сравниваются между собой и производится сопоставительный анализ с целью отбора действительно оптимального решения по критериям:
• Стоимость сети: смета на сетевые расходы, определяемые необходимым оборудованием.
• Доступность соединения между любыми терминалами в процессе эксплуатации.
• Возможность модернизации: анализ эксплуатационных показателей при увеличении трафика по части каналов.
• Гибкость: если трафик динамично изменяется, как по объему, так и по распределению, сеть обязана быть достаточно гибкой, чтобы приспосабливаться к этим изменениям.
Совместное проведение цикла разработки проекта в комплексе (помимо формального контрактного договора) должно существенно повысить качество и результативность проектирования и было бы полезным для специалистов обеих сторон.
Ключ
передатчика
Передатчик З-дБ ОНО Регенератор
ОЦП 1 )
Ключ замыкания
—о < о <
'--------------V-------------------------'
Усилительная цепочка
Вывод
ОЦП ошибок
Окно ошибок
Рис. 9. Укрупненная структурная схема оборудования для ПЭИ:
ОЦП — оптический цифровой поток; ОНО — оптический направленный ответвитель; ИКО — измеритель коэффициента ошибок
Полигонные испытания разрабатываемого оборудования, натурное моделирование рабочих и аварийных режимов системы через NMS
Для исследования качества конструкторских и технологических решений для узлов и подсистем в процессе разработки и проверки в дальнейшем их реальных эксплуатационных возможностей, пригодности для внедрения в действующие оптические сети или создания новых перспективных систем следующего поколения специалисты ОАО «Супертел» считают необходимым, если имеется серьезная программа по созданию NGN-сетей, укомплектование экспериментальной линии, позволяющей обеспечить моделирование совместной работы отдельных узлов или участков создаваемой системы.
Базовый набор измерительного оборудования для проверки работоспособности и функциональной полноты элементов оборудования, системных характеристик и их соответствия требованиям стандартов, содержит не такой уж обширный перечень:
• измерители коэффициента битовых ошибок для всех скоростей,
предусматриваемых в аппаратуре будущих пользователей;
• измерители коэффициентов дисперсии;
• строб-осциллоскопы с блоками выделения тактовой частоты, а также для всех скоростей, предусматриваемых в аппаратуре будущих
пользователей;
• оптические спектр-анализаторы;
• оптические рефлектометры;
• оптические измерители мощности;
• переменные и фиксированные оптические аттенюаторы;
• перестраиваемые оптические полосовые фильтры;
• оптические разветвители и направленные ответвители.
Экспериментальная линия должна быть собрана «в полевых условиях», в том смысле, что условия окружающей среды для всех основных элементов близки к ожидаемым в условиях штатного применения. Измерения следует выполнять на каждом сетевом элементе и затем, после обобщения и оценки полученных результатов и проведения необходимых доработок, переходить к испытаниям системы с полной загрузкой для тестирования поведения комплекса в условиях передачи различных видов и числа каналов с учетом их взаимодействия.
При определении характеристик собственно среды передачи WDM-сигнала важно измерить не только диссипативные параметры тракта, но и дисперсионные характеристики, по требуемой степени компенсации хроматической дисперсии в рабочем диапазоне линейного DWDM-сигнала, а также по величине PMD с учетом не только волокна, но и других поляризационно-нестабильных элементов.
Поведение системы в целом, с учетом взаимодействия всех основных сетевых элементов, подлежит детальному исследованию на оконечном оборудовании. Это наиболее эффективно может выполняться при методически оптимизированной имитации в экспериментальной линии всех ситуативных вариантов, ожидаемых в процессе эксплуатации системы. Особый интерес представляет исследование переходных процессов, возникающих при одновременном добавлении или выводе большого числа каналов (например, вследствие обрыва линии), влияние переключений реконфигурируемых OADM на рабочие характеристики других каналов. Одновременно с экспериментальным изучением элементов сетевого оборудования проводятся испытания программного пакета управления сетью и ее элементами. Такие программные продукты в настоящее время также стандартизируются в соответствии с требованиями системы FCAPS-управления, упоминавшейся выше. Для телекоммуникационных приложений разработаны стандарты ITU-T M.3010, M.3400.
При необходимости натурного моделирования дальних и сверхдальних магистральных линий, для которых характерна многократная ретрансляция линейного сигнала, имитация линейных сооружений с соответствующим числом итераций становится весьма громоздкой и дорогостоящей. В этих случаях целесообразно применение метода рециркуляционного исследования, хорошо зарекомендовав-
Рис. 10. Обеспечение основных состояний при проведении ПЭИ посредством оптических ключей: а) состояние загрузки ОЦП в петлю — ЗЦП; б) состояние кругового пробега (рециркуляции) ОЦП — СКП
Ключ Вкл
передатчика цыкл
„ Вкл
Ключ
петли Вы к л
Окно Вкл
ошибок Выкл
Выход
ошибок
Состояние ЗЦП
f
Т Состояние СКП
Т------------1-----------1------------1-----| —Г----------------------------1------------г
4343-
1-------1------1------1--»---1------1------1------г
Счет ошибок
м
1 -1—1 1 1 г . Пачка ошибок ■ ■ д 1 1 1 ► III
Яоор
Время
Рис. 11. Временная диаграмма процессов переключения при ПЭИ
шего себя при моделировании подводных магистралей [20].
Принцип метода состоит в многократном использовании, за счет рециркуляции в петлевом контуре, итерационного процесса распространения оптического сигнала в виде отрезка ПСП, имеющего параметры, близкие к линейному сигналу будущей системы. Схема оборудования для проведения ПЭИ (рис. 9) позволяет проводить практически все необходимые измерения на базе усилительной цепочки (УЦ) умеренной длины, составляющей от десятков до сотен километров.
В методике ПЭИ применено синхронное переключение двух оптических ключей (рис. 10), что дает возможность в состоянии, изображенном на рис. 10а, загрузить в петлю отрезок ОЦП, генерируемого передатчиком (состояние ЗЦП), или в состоянии, которое показано на рис. 10б, разрешить циркуляцию ОЦП по петле до достижения заданной общей протяженности пробега (состояние кругового пробега, СКП). Базовая временная единица для ПЭИ есть время оборота по замкнутой петле, xloop, которое равно 4,89 мкс/км волокна.
Рассмотрим процесс проведения ПЭИ с помощью временной диаграммы, представленной на рис. 11. Цикл проведения эксперимента начинается, когда оптический ключ передатчика включен, то есть ОЦП поступает через 3-дБ ОНО в оптический тракт петли и в регенератор. Ключ петли при этом выключен (или блокирует выход сигнала).
В этом состоянии (ЗЦП) оба ключа поддерживаются в течение времени заполнения петли сигналом ОЦП. Когда петля загружена, ключи сменяют свое состояние на СКП, и ОЦП начинает циркулировать по петлевому кругу на некоторое заданное число оборотов. На каждом обороте часть мощности ОЦП отводится на регенератор, для анализа. В регенераторе сигнал принимается и передается в ИКО, где сравнивается с загруженным от генератора «образцом» и, при несовпадениях, детектируются ошибки. Вывод ошибок, зафиксированных ИКО, и поступление их на счетчик осуществляются при объединении в логической ячейке «И» с сигналом «Счет ошибок», подаваемым через «Окно ошибок». Таким образом, подсчитываются только ошибки на самом последнем цикле рециркуляций. Затем снова повторяются переключения на состояния ЗЦП и СКП, и можно накапливать получаемые данные за длительные интервалы времени. Значение BER в конечном счете вычисляется как число ошибок, обнаруженных на общем интервале «Окон ошибок», деленное на полное число битов, переданных за время наблюдения. Но поскольку счет ошибок проводится только за период открытого «окна», то эффективная битовая скорость при ПЭИ получается уменьшенной в число раз, равное коэффициенту заполнения времени работы этим
окном. Таким образом, реальное время, необходимое для измерения заданного BER, следует увеличить (по сравнению со временем при обычных измерениях) в число раз, соответствующее коэффициенту заполнения.
Опубликованные результаты моделирования весьма протяженных (трансокеанских) магистралей [21, 22], показывают, что при вполне доступных технических средствах можно этим методом обстоятельно исследовать характер передачи практически на любые расстояния.
Заключение
Санкт-петербургская фирма «Супертел», разрабатывающая и выпускающая разнообразную номенклатуру оборудования для волоконно-оптических информационных систем, в том числе на основе WDM-технологии, считает необходимым решительно сократить недоиспользование российскими пользователями (причем различных ведомств и видов предоставления информационных услуг) ресурсных возможностей эксплуатируемых или модернизируемых сетей среднего масштаба — региональных, областных или корпоративных, в рамках бизнес- или академических объединений. Один из наиболее экономически эффективных путей повышения емкости и надежности таких систем, а также эксплуатационной гибкости — это модификация их оптического слоя посредством использования отечественных комплексов, работающих на основе CWDM. Это может обеспечить (особенно учитывая специ-
фику российской информационной инфраструктуры) значительные преимущества перед использованием оборудования мощных DWDM-магистралей, предусматривающих объемы трафика, далеко превосходящие реальную востребованность в большинстве регионов РФ. В качестве примера приведена CWDM-сеть на основе одного из комплексов (МКСС), выпускаемых нашим предприятием, который не уступает зарубежным аналогам.
При рассмотрении проблемы создания оборудования для систем следующего поколения NGN ОАО «Супертел» выдвигает здесь (по-видимому, одним из первых) конкретные, в отличие от общих обзорноаналитических рассуждений, технические решения, а также предложения по новой (для России) схеме работы. Они сформулированы в статье в виде схем оборудования, которые можно взять в качестве базовых прототипов, но особый акцент мы делаем на необходимости смены малоэффективных методов проведения комплексных разработок, характерных для прошлого. По нашему мнению, для выхода на уровень NGN необходимыми условиями должны считаться:
• конкретизация системного проекта и выполнение его в тесном взаимодействии с заказчиком, будущим провайдером данной системы;
• тщательная, всесторонняя эксперимен-
тальная обкатка создаваемых узлов, модулей и их взаимодействия, под управлением NMS, для всех рабочих режимов будущей системы. ■
Литература
1. Докучаев В. А., Моисеева Т. Л., Серебренников В. К. Проблемы транспортных сетей при переходе к NGN в России // Фотон-Экспресс. 2005. № 4.
2. Васильев А. Б., Соловьев С. П., Кучерявый А. Е. Системно-сетевые решения по внедрению технологии NGN на российских сетях связи // Электросвязь. 2005. № 3.
3. Алексеев Е. Б. Транспортная платформа NGN. Динамика развития // Технологии и средства связи. 2006. № 3.
4. Меккель А. М. Оптическая транспортная сеть и NGN // Вестник СГК. Ноябрь 2006.
5. Алексеев Е. Б. Перспективы развития оптического транспорта и доступа // Вестник связи. 2008. № 9.
6. Слепов Н. Н. Особенности современной технологии WDM // Электроника: НТБ. 2004. № 6.
7. www.teralink.ru
8. www.c-tt.ru/content
9. www.se-m.ru
10. Отзывы клиентов (ОАО «Северо-Западный Телеком», АО «КазахТелеком», ГК «Евразия Телеком» и др.) — http://www.se-m.ru/? folder_id=107
11. CWDM: Technology, Standards, Economics & Applications — www.rbni.com
12. Halgren R. RBN, CWDM and GFP in the Metro Core. 5 Feb. 2003 — http://www.lightreading. com/wp_redirect.asp? doc_id=27190
13. Шнепс-Шнеппе М. А. Архитектура NGN: IP-телефония, Parlay-шлюзы, web-сервисы. ITU NGN Workshop. Dec. 2004. Moscow, Russia — www.abavanet.ru
14. Hayashi K. et al. Fujitsu’s Activities for Next-Gene-ration Network // Fujitsu Sci. Tech. Journ. Oct. 2006.
15. Tompros S. L. Enabling Convergence of IP Multimedia Services over Next Generation Networks Technology. VITAL Consortium. Aug. 2007 — www.ist-vital.eu
16. Shirasaki M. et al. Compensation of chromatic dispersion and dispersion slope using a virtually imaged phased array (VIPA) // OFC’2002, paper TuS1. March 2002.
17. Alwayn V. Advanced MPLS Design and Implementation — www.ciscopress.com
18. Новые модели рамановских усилителей увеличивают дальность соединений DWDM на платформе LambdaDriver — http://newsdesk.pcmag. ru/node/20554
19. Dynamically Reconfigurable Optical Add-Drop Multiplexer (ROADM); Reconfigurable Wavelength Blocker (WB); Wavelength Selective Switch (WSS) — www.agiltron.com
20. Bergano N. S., Davidson C. R. Circulating loop transmission experiments for study of long-haul transmission systems using erbium doped fiber amplifiers // Journ. of Lightwave Technology. Vol. 13. 1995.
21. Bergano N. S. et al. A 9000 km 5 Gb/s and 21 000 km 2.4 Gb/s feasibility demonstration of transoceanic EDFA systems using a circulating loop // OFC’91. Feb. 1991. San Diego, CA.
22. Bergano N. S. et al. Bit error rate measurements of a 14 000 km 5 Gb/s fiber-amplifier transmission system using a circulation loop // Electron. Lett. Vol. 27. № 21. Oct. 1991.
