CC BY
53
11 декабря 2011 г. 10:36
ТЕХНОЛОГИИ
Пассивные волоконно-оптические сети с коммутацией потоков в узлах регулярных топологических структур
Ключевые слова:
Вапокоммсххттческие сети коммутации потоков иілу*4вния топологические структуры.
Рассмотрены вопросы конструировании и оптимизации сложных сетей с коммутацией потоков излучения в узлах регулярных топологических структур. Предложены конструкции узлов с использованием спектрально-избирательных коммутаторов и способы управления передачей с коммутацией потоков.
Алексеев Е.Б.,
дт.н., МТУСИ
Полов А.Г.,
аспирант, МТУСИ
Полов В.И.,
инженер
Введение
Коммутация потоков излучения, как известно, является наиболее эффективным приемом оптимизсх**1 потсж о-распре де пения в пассивных сетях Ниже рассмотрим вопросы конструирования сложтх сетей с пасаеной коммутацией потоков излучения в узлах регулярных топологических структур исследованных в [Ц Мы покажем, кск используя технику \МЭМ и спектрально-избирательные коммутаторы наиболее просто осуществить маршрутизацію, по крайней мере, в пределах окрестности узла Тем самым фактжески реагмзуя концепцию многопротокольной коммутации с использованием Л-меток (МРА£) (2) статическими полностью неблокирющими коммутаторами. В качестве последних в рассматриваемых сетях могут быть использованы разные конструкции оптических коммутаторов (ОХС), например на дифракционных решетках из массива световодов (А\ЛЮ) [3,4], на многослойных юлерфереици-онных фильтрах и циркуляторах (5|, или на интерферометрах Махо-Цвндвра (6).
Для примера фиведем наиболее экономимую (в с АЛ)юле используемого мела интерферометров) схему спектральноизбирательного коммутатора 4X4 (рис. 1) разработанного авторами [7]. Работа коммутатора основана на операции расслоения (интерливмяа) спектральных каналов волоконноошическими интерферометрами Махо-Цендера (описание работы см. в [7]).
Характерной особенностью коммутатора ЫхЫ на интерферометрах Махо-Цендера, а также всех выше упомянутых коммутаторов
(3,4,5,61, является повторяемость кросс-соединений для дпин волн (каналов) отстоящих фут от Друга с периодичностью в N шагов. Такие группы из m д лин волн мы назвали -пакетами" (см(7)) В таблице 1 кросс-соединений кроме номеров четырех каналов в скобках указаны следующие по порядку условные номера коммутируемых каналов с шагом из соответствующей чостотной сетки. Таким образом, из N /.-пакетов" на каждом входном порту в каждой из N выходных портов поступает по од ному "/V-псжету". То есть в каждом выходном порту имеем те же N "/»-пакетов* (т • N каналов) но собранных из разных входных портов.
Сету с коммутацией потоков излучения
в узлах регулярных структур
Всё ниже изложенное будет справедливо для сложной сети с любой из регулярных структур рассмотренных в [1]. Узел регулярной структуры суть локальная сеть (рис 2) с двухсекционной звездой Хейнзмана [8].
Во всех узлах регулярной структуры сложной сети заменим разветвитель NxN, связан №Й с передатчиками Т, в двухсекционной звезде Хейнзмана на слектрально-избирателыя^й коммутатор NxN. Число портов N положим равным г *■ 1, где г — валентность узла То есть каждая симплексная лимя связи со смежными узлами и линия связи между секциями "звезды" содержит по одному волоконному световоду (S= 1). Снабдом передатчики и приемники терминалов Ai локальных сетей рис 2 WDM мутъ-типлексорами и соответственно демультоттек-сорами на m(r + 1) спектральных каналов рис. 3. Например, в узле регулярной топологи-
ческой структуры сложной сети с под графом G рис 4 валентности г = 3 потребуется коммутатор 4x4.
Теперь в сложной сети появилась возможность маршрутизаціи передачи в пределах окрестности узла путем выбора ' пакета" (читай адреса узла) передающим терминалом А также — уплотнения маршрута в m(r ♦ 1 ) каналов. Вполне прогнозируемый результат от применения WDM техники. Нас же будет интересовать другой эффект от применения коммутации, а именно оптимизаі*« сети за счет увел^ения суммарного числа обслуживаемых терминалов в локальных сетях окрестности узла. В сомом деле, поско/ъку мощюстъ теперь не "рос-пыпяется" по всем узлам окрестности то теоретически возможно увеличение числа терминалов по сравнению с сетями без коммутации
Так как количество "лучей" звезды в сети с коммутацией огрсыичено валентностью г узла реализовать эту возможность удается заменой од иночных терминалов "звездо” на оптимизированные "гростые" подсети, например с шинной топологией рис. 5 или с топологией "дерево". Условием отимиэац м сети с ши<ной топологией является убывание коэффициентов ответвлен*« ОТ первого С2 к последнему ответ-
вителей шины в гармонической последовательности: 1/2, 1/3/,_, 1/т [9,10]. При этом в ИДеатз^хзванной сети (без избыточных потерь мощности в пассивных компонентах) минимальный динамически* диапазон О”1,1 = 0 (Drn*> определяем, как диюмически* діапазон, необход имый для нормальной работы приёмника ВОСП в отсутствии колебаний мощности излучения передатчиков, деградации компонентов сети, отклонений от номинальных паро-
Таблица 1
вхЛвых Л*1 JV.2 Х.З ЛІ4
Леї 3(7) 1(5) 4(8) 2(6)
Л»2 4(8) 2(6) 3(7) 1(5)
№3 1(5) 3(7) 2(6) 4(8)
Л*4 2(6) 4(8) •<5) 3(7)
Рис. 1. Схема коммутатора 4x4 и табгицр кросс-соел*«емий коммутатора. MZ — волокомно-отичесхии интерферометры Махо-Цендера
T-Comm# 1-2011
ТЕХНОЛОГИИ
1-и секции
С 2 Cm-«-
ze^-;7f
' \ / МГХ \
Г - НМ\ОЦ1Ы\
Нортон
¡□ц рг
т т
к к
l“
2-и секция
ftc. 5. Вариант уэпа с коммутацией потоков и подсетям шинной топологии; А. , — терм**агы подсети
шинной топологии; С,,..,,Ст — ответвители в rnvwe; U — оптические усижтели
вых передач Для каждого узла сети потребуем отсутствие совпадения длин волн оптических несущих каналов в передаче данных со стороны окрестности узла. Это означает, что сумма спектрсиыньк каналов связи узла со своей окрестностью не может превзойти m(r + 1). Положим m = k(r + 1)иразрешим передачу на к длинах волн из каждого ’^-пакета* по каждому из г + I маршрутов (включая передачу внутри локальной сети узла). Не трудно видеть, что при таком способе обмена данными между смежными узлами конфликты в сети отсутствуют. В обоих способах усредненная за период T=r+ 1 скорость обмена данными между смежными узлами будет од на и та же.
О способах передачи данных
в несмежные узлы
Поскотысу в пределах окрестности узла маршрутизация осуществляется выбором
"А.—пакета* (адреса смежного узла) передаю иим терминалом, а "Л-псжеУ включает т — отичесхихнесуших, то длины волн, по крайней мере, чости из них могут быть использованы в качестве чфесов для передачи в несмежные узлы Передела при этом, так же как и в сетях без коммутации (см. (1 ]), возможна лишь путем ретрансляции с конвертированием длин волн (с переадресацией). Однако этот способ контрпродуктивен в сетях с подграфами С большого диаметра, так как для передачи в несмежные узлы на расстояние с! потребуется (г - 1 ^ адресов — длин волн "л.-пакета". В сетях с подграфом большого диаметра более естественна маршрутизация по меткам. Метка у нас — адресный заголовок к "л—пакету" в целом, по которому контроллер в узле ретранслвдии офе-деляет маршрут в гределах окрестности узла и управляет устройством ретрансляции, один из вариантов которого представлен на рис. 6 для
1-и секция
ть'4 [Щу} [ЩУ: [у Fl
/\|1\ N
_г ... т "к
\dn.uv; V.
2-я секция /
FVc. 6. Ретранслятор и маршрут* затор по меткам в пределах окрестности узла; UU4 — ^огскогалжые усилители; S,„..S4 — переключатели управляемые контроллеромА,
узла валентности г = 3. В зависимости от адреса и ретранслн^зуемь»: "л-пакетов' контроллер А, подключает тот или иной многоканальный усилитель Ц или их комби ки»ню в соответствии с табл. 1 кросс-соед инений рис 1. Заграждающий фильтр Р призван разорвать иикл для "А-псжета“ (обратную связь по линии свя-зьвающей секции "звезды"). Переключатели 5 необязательны для корректной работы устройства и могут быть заменены на направленные разветвители С. В способе нет ограничения на ел*остъ маршрута и отсутствует необходимость спектрального конвертирования, что является несомненным его достоинством.
Стоит отметить, что варианты узлов рис. 3,6 догтусхают дальнейшее развитее путем замены также и разветвителя второй секции "звезд," Хейзмана на спектрально-избирательный! коммутатор. В этих вариантах узлов потребуются коммутаторы с числом входных (выходных) портов N не менее 2т, примем N - г выходных портов коммутатора первой секции соединяются с N - г входными портами коммутатора второй оекцш. На схеме соедегений портов коммутаторов с терм^еюлами и на их конструкции мы не будем останавливаться, дабы не перегружать изложение несущественными подробностями Очевидно, что такое техническое решение не только сохраняет энергетический потенциал сети, но и обеспечивает с одной стороны возможность обмена д анными между терминалами (подсетями) внутри локальной сети узла регулярной структуры, а с другой — увеличивает число терм*#налов (подсетей) до N/2 (при условии что N > 2(г + 1)) и 1шю коммутируемых "/^ пакетов" (см. выше свойства коммутатора).
Поскольку вопросы управления передачами всетях не являлись предметом нашего исследования, вышеизложенные способы приведены для демонстрации принципиальной возможности управления и не претендуют на завершенность.
Заключение
Если исследованные в (I ] регулярные топо-лопмесхие структуры в волоконно-оптическом исполнении ориентированы в основном на сети малой протяженности, предпочтительно вну-триобьектовые и бортовые, то сети с коммутацией потоков излучения могут представлять интерес д ля широкого круга специалистов, в том числе и дальней связи. Тем более что рассмотренные сети, на наш взгляд, являются шагом к построению полностью оптических (“фотонных") ОСЦ и транспортных сетей будущего поколения и концептуально согласованы с требо-
10
T-Comm #1-2011
ТЕХНОЛОГИИ
вониями к ним изложе»м>*ии в работах [ 15-17]. Неллзловажным является и то, что в узлах регулярных структур могут быть зарезервированы входше и выходные порты для роста сет, вплоть до построения слоистых структур (см. [1]), без необходимости увеличения для этого энергетического потенциала сети
Литература
1 Попов АГ. Объединение пассивных сетей с топологией "звезда". сложные сети с регулярной топологической структурой. // М>отои-Экс-пресс*, 2010. — №8
2 Фримсм Р Вопокоино-олтичеасие системы связи 2-е долопнитегьное издание: Пер. с ант пор ред Н». Слелоеа — М: Техносфера, 2004.
3 Гончаров АА,Свегу#(ав ВВ., G*fv»*<owí ЮС, Сычугов ВА» Уо*«ви< БА Интегрально-оптический
аналог эшелона Мойкельсона, его основные свойства и приложения // Кеснтовая электроника —
2004. - Т, 34, №8.
4 KbfT.etd Wavetengfr selective and level odjust-
ing opical device // Potert WO US2007/258678.
5 Oberg, M.G. Opicd NxN wovelengfc crossconnect // Patent WO/1996/01153 7
6 Wu Mtag-Giang. Compoct wavderg^-selec-tive opical crossconnect // Patent W0/2004/ 015459.
7 Алексеев ЕБ, Попов AT, Пспав ВИВолокон-
ноотический кс***утатор. //*T-Ccmm — Телекомму-ника1*и и транспорт", 2010. — N*4, — С8-10
8 Heinzmcy» V. Ophcd communication systems using star couplers//Patent US № 4,826.275, 1989.
9 Пегое AJ. Волоконнооптическая сеть// Патент РФ № 2264692./2005г, Е*ол №32.
10 Пегое AT. Локальная волоконно-оптивеская сеть и объединенная сеть //Патент РФ №2259635/2005 г, Бюл№24.
1 Алексеев ЕБ. Пегое АГ. Перспективы ра> вития и эсщоча оптимизации пассивных оптических
сетей доступа // "Вестник связи", 2009. — №10.
12 Пегое АГ. Д войная пассивная волоконнооптическая сеть // Патент РФ по заявке N»2007127134
13 Попов AJ. Пассивные волконно-олтичесхие сети звездообразной и древовидной топологий // "Фотон-Экспресс", 2009. — №8.
1*1 Наний 0£. Оптичеасие передатчики с перестраиваемой домой вагмы излучения для DWDM — сетей связи // lightwave Russ or Edition, 2006. — №1
15 Алексеев ЕЕ 11рин1*пы построения и технической эксплуатации фотонных сетей связи // Учебное пособие ИПК МТУСИ. — М: Информсвязьиэ-дот, 2000.
16 Алексеев Е^Зорквеич ЕА, Устинов СА
Концешия построен*« сетей доступа ВСС РФ на элементах фотонной технологу*« // Электросвязь, 1998. - №10,
I 7 Алексеев ЕБ, Склфов О JC, Заркеиич ЕА,
Уступов СА Эвагюиия сети доступа на основе применения волоконно-оптических технологий // Электросвязь, 2003. — №9.
Passive fiber networks with flow switching in nodes of the regular topological structures
YgJJ. Alekseev, AG. Popov, VI Popov
Queshons of constructor and opfmizaion of difficult networks wih rcxtant flow swiching in nodes of the regular topological structures are considered. Constoudions of nodes wib spedral-seJedrve switches and methods of flow switching transmission control are offered.
Keywords:
Passive fiber-optical networks, swiching of streams.
References
1 Pope* AG. Obecfinenie pasuvnyh setyey s topdogiyey "zvezda" «Jazhrrye se» s regdyamcy topdogicheskoy stukluroy. / / "FokxvEk «press', 2010, № 0,8.
2 Friman R. VcWcormooplcbeskie sstemy svyazi 2-ye dopdnltefinoe izdanie Per s cngl pod red N N Slepova — M TehrKsfera, 2004.
3 Gandwrav AA, SvdtovW, SviJzidJy KJC, Sydwgw VA, IWevtdi BA htegralno-opfcheskiy andog e^ieiona Mcrykelsona, yego osnovnye svoystva i prilozheniyo // Kvaniovaya elekironika. 2004. — T.34. — №8.
£ KofTuSd. Wavdengih selective and levd adjusting optical device//Patent WO US2007/258678.
5 Obarg, MG. Opticd NxN vmd&xfh crossconnect //Patent WO/1996/011537.
6 Wu MtogCftang. Compact wavelengjh-selecive opicd crossconnect // Patent W0/2004/015459
/ Alekseev YeA, Popov AG, Popov VI Vd okonno-opicheskry kommutatar / / ’T-Convn-Tetekommuniatsl i fransporf, 2010, — №4 — P8-10.
8 Heinzmcn V. Opted communication systems using star couplers //Paten* US №4.826275, 1989
9 Pcpc* AG VdokomoopticheAaya set//Patent RF № 2264692./ 2005g., Byd. №32
10 Popov AG lokdnaya vdolconna-opfcheskaya sei i obedinennaya set//Patent RF №2259635 / 2005, BydisP24.
1 1 Alefayw/ Yefl. Popov AG Perspektrvy razviliya i zodacha optimizatsn passivnyh cpicheskih setyey doshjpa. // "Vestnik svyazf, 2009, № 10.
12 PopcvAG. Dvoynaya passvnaya voiokonno-opfcheAaya set// Patent RF po zayavke №2007127134.
13 Popov AG. Passivnye volccnno-opichesJoe sef zvezdoobrazrvoy i drevovidnoy topologiy. // "Foton-Ekspress", 2009, №8
14 Naniy O.Yft Opicheskie peredotchikj s peresidvaemoy cflinay vdny iziucheniya dya DWDM -setyey svyaa." // Lightwave Russcn Ediion, 2006, № 1.
15 AJefayaev Yeii Printsipy postoenrya i lehnicheskoi ekspiuatahn feionnyh setyey svyazi / / Uchebnoe poscbie IPK MTUSI-M: Infomrsvyazizdat 2000.
16 Aieiayeev YeB, Zarkavidi YeA. UrtxvSA Kontseptsiya postoeniya setyey dosiupo VSS RF no elemental fotonnoy tehndogi // Beklrosvyaz, 1998, № 10
17. Aielayeev YeA, SWyartrv OJC, ZaHcnvidi YeA, LiMnav SA Evolyutsiya seti dostupa na osnove primeneniya vdokormo-opticheskih lehndogiy // Beklrosvyaz 2003, №9.
T-Comm #1-2011
11
