CC BY
18МБЛН 01? соммишелткж Б((ШРМБШ: Iss. 1 (141). 2018
К.В. Марченко
ООО «Т8»
ПОСТРОЕНИЕ СКОРОСТНЫХ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ СИСТЕМ
СВЯЗИ НА ОСНОВЕ КОГЕРЕНТНОЙ БТОМСПСТЕМЫ «ВОЛГА»
В ИНТЕРЕСАХ СПЕЦПОЛЬЗОВАТЕЛЕЙ
Показана актуальность перехода к когерентным каналам 100 Гбит/с с сохранением существующей инфраструктуры сети. Описаны преимущества когерентных систем: повышение скорости магистральной сети в 5 раз, снижение цены за 1 Гб переданной информации, надёжная коммутация каналов с использованием ЯОАБМ, снижение рисков несанкционированного доступа к системе управления. Представлена система «Волга» российского производства, которая позволяет строить скоростные сети связи с пропускной способностью до 9,6 Тбит/с с возможным апгрейдом.
Введение
Один из основных выводов масштабных военных учений, проведённых в 2013 г. — необходимость глубокой модернизации военных систем связи. Министр обороны РФ С.К. Шойгу оценил эффективность системы военной связи на уровне 18%, назвав её «одной из наших серьёзных проблем». В частности, было отмечено неудовлетворительное состояние волоконно-оптической сети связи Министерства обороны РФ. Она обладает крайне низкой пропускной способностью, которая не соответствует потребностям, предъявляемым со стороны современных средств вооружений.
По оценкам экспертов, для обеспечения потребностей ГУС МО пропускная способность магистральных каналов между регионами должна составлять на сегодняшний день не менее 300-400 Гбит/с. Сеть должна обеспечивать возможность многократного резервирования трафика, возможность коммутации и доставки трафика в точку назначения разными путями. Кроме того, система управления сети должна быть устойчива к сторонним информационным атакам. Поведение сети, построенной на оборудовании и программном обеспечении зарубежного производства, в условиях чрезвычайной
ситуации практически непредсказуемо из-за наличия не декларированных возможностей (НДВ) иностранного оборудования.
Очевидно, что Министерству обороны РФ необходимо модернизировать магистральную волоконно-оптическую сеть. Прежде всего, необходимо оборудовать скоростные каналы 100 Гбит/с на уровне ядра сети (7 УАК «каждый с каждым»), и на уровне «ядро — узлы внутризоновых сетей» (не менее двух разнесённых оптоволоконных трасс к каждому узлу).
Современные волоконно-оптические системы передачи данных со скоростью 100 Гбит/с основаны на когерентных оптических технологиях. Они имеют целый ряд преимуществ перед некогерентными системами, которые использовались до сих пор. Помимо увеличения скорости передачи (с 10 Гбит/с или 40 Гбит/с до 100 Гбит/с), когерентные технологии позволяют строить более протяжённые линии связи без компенсаторов дисперсии, с меньшим количеством усилителей и пунктов регенерации сигнала. Уменьшение количества оборудования снижает затраты на построение и дальнейшее развитие сети, повышает её надёжность и удобство управления.
Помимо увеличения пропускной способности, необходимо также минимизировать уязвимость сети, снизить риски несанкционирован-
ного доступа к системе управления. Этого можно добиться за счёт использования отечественного оборудования и программного обеспечения, а также за счёт упрощения архитектуры сети и отказа от сложных электронных компонентов в пользу более простых и надёжных решений. В частности, для коммутации каналов на верхнем уровне вместо электронных матриц коммутации можно использовать настраиваемые оптические мультиплексоры ввода-вывода каналов (reconfigurable optical add-drop multiplexer, ROADM).
Система «Волга»
Единственным российским производителем когерентных систем 100 Гбит/с, удовлетворяющих представленным требованиям, является компания «Т8». Флагманский продукт компании — система «Волга». Сборка системы «Волга» полностью осуществляется в России, из взаимозаменяемых компонентов зарубежных производителей (процессоры, интегральные микросхемы и проч.). Программное обеспечение для системы управления также пишется в России. Система сертифицирована Минсвязи РФ и успешно работает на сетях связи российских операторов связи. Пропускная способность системы «Волга» в существующем сертифицированном исполнении составляет до 9,6 Тбит/с на волокно (96 каналов DWDM по 100 Гбит/с в каждом канале). В 2012 г. этой системой было поставлено два мировых рекорда:
• мировой рекорд по дальности передачи сигнала 100 Гбит/с без компенсации дисперсии и без регенерации (4000 км);
• мировой рекорд по дальности передачи сигнала 100 Гбит/с в однопролётной линии без промежуточных пунктов усиления сигнала, требующих электропитания (500 км).
В настоящее время ведётся работа по увеличению пропускной способности системы «Волга» до 25 Тбит/с. В 2013 г. этот проект был признан лучим российским ИТ проектом в рамках «Сколково Startup Village».
Актуальность внедрения когерентных систем
В обычной системе передачи, приёмникде-тектирует только амплитуду приходящего оптического сигнала (прямое детектирование). В когерентной системе, приёмник определяет
амплитуду, фазу и частоту сигнала (когерентное детектирование). Использование когерентных технологий позволяет не только увеличить скорость в линии, но также отказаться от использования компенсаторов дисперсии, уменьшить число оптических усилителей и пунктов регенерации сигнала, увеличить протяжённость сегментов сети. Это даёт заметную экономию средств и повышает надёжность сети.
Для когерентного детектирования, необходимо на стороне приёмника смешать принятый сигнал с опорным излучением, полученным с локального опорного лазера. Долгие годы эта задача не имела удовлетворительного технического решения для оптических линий связи. Попытки создания аналоговых когерентных систем в начале 1990-х гг. не привели к успеху, и разработки в этой области были надолго приостановлены.
В последние годы (конец 2000-х — начало 2010-х) произошёл настоящий прорыв в разработке цифровых когерентных систем, связанный с появлением высокостабильных узкополосных источников излучения и мощных цифровых сигнальных процессоров (DSP, digital signal processor). Благодаря этому, в мире началась настоящая «когерентная революция», которая позволяет, прежде всего, радикально модернизировать сети дальней связи.
Преимущества когерентных систем
Суть предлагаемого решения состоит в переходе от существующих DWDM систем с каналами 2,5/10/40 Гбит/с kDWDM системам с когерентными каналами 100 Гбит/с с сохранением существующей кабельной инфраструктуры и сохранением расположения пунктов установки оборудования, и с использованием оптических мультиплексоров ROADM для надёжной коммутации каналов без электронных матриц коммутации. Основные преимущества когерентных систем:
• в пять раз повышается пропускная способность магистральной сети;
• на 30% снижается стоимость САРЕХ сети (по сравнению с достижением той же ёмкости некогерентными технологиями), настолько же снижается стоимость 1 Гб переданной информации;
• снижается стоимость ОРЕХ — эксплуатационных расходов за счет уменьшения энергопотребления и экономии места в стойках;
MEANS OF COMMUNICATION EQUIPMENT Iss. 1 (141). 2018
• запас по емкости — обеспечивается возможность оперативного и экономичного добавления новых DWDM каналов при развитии сети вплоть до 9,6 Тбит/с с возможным апгрейдом до 25 Тбит/с;
• надёжная коммутация каналов с использованием ROADM, снижение рисков несанкционированного доступа к системе управления.
Существующая конфигурация типовой сети обеспечивает максимальную ёмкость DWDM сети 1,6 Тбит/с по паре волокон (40 каналов по 40 Гбит/с) или стандартную ёмкость 400 Гбит/с (40 каналов по 10 Гбит/с), а на некоторых сегментах — 160 Гбит/с по паре волокон (16 каналов по 10 Гбит/с). Переход к когерентным системам позволяет повысить скорость в канале с 2,5/10/40 Гбит/с до 100 Гбит/с без изменения системных требований к линии, и передавать до 96 каналов по паре волокон в DWDM системе. Таким образом, максимальная ёмкость сети при переходе на когерентную технологию передачи возрастает более чем в 5 раз — до 9,6 Тбит/с.
Переход к когерентным технологиям позволяет не менее чем на 30% снизить затраты на построение магистральной сети. Этот экономический эффект достигается за счёт двух основных факторов.
1. Стоимость транспондера или мукспонде-ра на 100 Гбит/с примерно на 10-15% ниже, чем для 10 каналов по 10 Гбит/с (5 сдвоенных блоков 10G).
2. Отказ от использования компенсаторов дисперсии, уменьшение количества оптических усилителей снижает затраты на построение сети ещё на10%.
Дополнительная экономия в 5-10% может быть достигнута с учётом косвенного снижения издержек:
3. При отказе от компенсаторов дисперсии, улучшается OSNR и снижаются требования к количеству и мощности усилителей.
4. Сокращается количество мультиплексоров на линии, в расчёте на 1 Гб передаваемой информации.
5. Снижаются операционные расходы на обслуживание сети за счёт снижения количества транспондеров, экономии места в стойках и сокращения потребления электричества.
Исключительные технические характеристики предлагаемого оборудования позволяют уве-
личить скорость передачи в канале с 10 до 100 Гбит/с без замены существующего волокна и пунктов обслуживания. В системе «Волга» для работы на скорости 100 Гбит/с требуется OSNR всего 12,5дБ (npHBER=1012). Примерно только же требуется некогерентным системам предыдущего поколения для работы на скорости 2,5G без FEC и 10 Гбит/с со стандартным FEC. Таким образом, канал 100 Гбит/с будет работать на той же кабельной инфраструктуре, на которой сейчас работают каналы 2,5/10/40 Гбит/с.
Дальность работы когерентных систем передачи без регенерации сигнала, на каскаде оптических усилителей, может составлять тысячи километров, что является важнейшим отличием от некогерентных систем. При развитии сети можно добавлять новые магистральные каналы DWDM без замены усилителей на линии, что многократно снижает стоимость добавления новых каналов. Например, для добавления нового канала 100 Гбит/с «Санкт-Петербург - Архангельск» достаточно будет установить два транспондера в конечных точках канала. Замена усилителей на линии при этом не потребуется.
Современные высокоскоростные сети связи имеют сложную архитектуру с большим трафиком, с большим количеством каналов DWDM и подключенных клиентов. Длятого, чтобыупро-стить администрирование таких сетей, применяются оптические мультиплексоры ROADM. Однако они вносят дополнительный шум (crosstalk) в каналы связи. Поэтому для их гибкого применения необходим дополнительный запас по OSNR. Когерентные технологии обеспечивают больший запас по OSNR, по сравнению с некогерентными системами, и позволяют широко применять ROADM.
Перестраиваемый оптический мультиплексор ввода-вывода каналов (reconfigurable optical add-drop multiplexer, ROADM) позволяет гибко изменять число выводимых каналов из спектра DWDM без перерыва трафика независимо от сложности сети. Устройство производит селективное мультиплексирование для организации выделения оптических каналов в сетке DWDM с шагом 50 ГГц или 100 ГГц в промежуточных пунктах двунаправленной линии связи. Управление модулем осуществляется при помощи системы управления шасси. Благодаря использованию ROADM, можно легко пробрасывать через сеть DWDM новые клиентские маршруты.
В сложных MESH сетях технология ROADM может не только использоваться для быстрого проброса клиентских интерфейсов, но и позволяет реализовать эффективное резервирование линий связи с гибким выбором путей резервирования. Время переключения на резервный канал 100 Гбит/с составляет 20 миллисекунд.
Заключение
Переход к когерентным каналам 100 Гбит/с позволяет эффективно модернизировать воло-
конно-оптическую сеть связи с сохранением существующей кабельной инфраструктуры. Применение когерентных технологий обеспечивают экономию до 30% по сравнению с аналогичной сетью на некогерентных системах. Оборудования российского производства «Волга» обеспечивает построение сетей с высокой пропускной способностью, надёжным резервированием трафика, устойчивой системой управления, — в том числе, в интересах спецпользователей.
