CC BY
28
УДК 654.026
РЕАЛИЗАЦИОННЫЕ АСПЕКТЫ РАЗРАБОТКИ
ОТЕЧЕСТВЕННОГО ТРАНСПОНДЕРА КОГЕРЕНТНЫХ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ СИСТЕМ ПЕРЕДАЧИ СО СКОРОСТЬЮ 100 ГБИТ/С
А. А. Проскурин, В.И. Близнюк, В.Б. Ивкин
Рассмотрены вопросы разработки отечественного транспондера когерентных волоконно-оптических линий связи. В основе предлагаемого универсального транспондера предлагается использовать программируемую элементную базу.
Ключевые слова: волоконно-оптические системы передачи, транспондеры сигналов ВОЛС, алгоритмы цифровой обработки сигналов, программируемые логические интегральные схемы.
За последнее десятилетие основные тенденции в области стационарных и мобильных IP-сетей в значительной степени определяются комбинацией приложений для работы с видео, социальных сетей и их совместной работы, которые объединяются под названием «визуальные сетевые технологии» [1]. Растущий с арифметической прогрессией трафик для реализации данных технологий в качестве транспортной сети может использовать только волоконно-оптические системы передачи информации (ВОСП), обладающие высокой пропускной способностью. Таким образом, ВОСП являются важным элементом правительственных, коммерческих, образовательных и потребительских коммуникаций, что существенно повышает актуальность импортозамещения используемого в них телекоммуникационного оборудования.
Наиболее перспективным направлением развития систем скоростной передачи данных в ВОСП в настоящее время являются DWDM-системы (системы передачи сигнала со спектральным уплотнением) [2], использующие когерентные методы передачи. Ключевым функциональным узлом когерентных оптических систем связи является выпускаемый ограниченным числом фирм-производителей специализированный цифровой процессор обработки оптических сигналов (ЦПООС), технология построения которого является полностью закрытой. В настоящее время известны всего несколько фирм-производителей в США и Японии (Acacia, NEL, Clariphy), выпускающие ЦПООС.
Подсистема приема-передачи сигналов ВОЛС выполняет следующие функции (рис. 1):
- усиление, коммутация и демультиплексирование входных оптических DWDM-сигналов;
- демодуляция оптических сигналов и формирование высокоскоростных цифровых потоков;
- синхронизация, дескремблирование и помехоустойчивое декодирование высокоскоростных цифровых потоков;
- демультиплексирование полезной нагрузки пользователей из кадра OTU и ее коммутация на следующую подсистему;
- мультиплексирование полезной нагрузки пользователя в кадр
ОТи;
- скремблирование и помехоустойчивое кодирование высокоскоростных цифровых потоков;
- модуляция оптических сигналов высокоскоростными цифровыми потоками;
- усиление, коммутация и мультиплексирование выходных оптических ОЖОМ-сигналов.
Мультиплексор
Кодер FEC
Модулятор
Демодулятор Декодер FEC
Демультиплексор
Рис. 1. Структурная схема подсистемы приема-передачи
сигналов ВОЛС
Наибольшую функциональную нагрузку в подсистеме приема-передачи сигналов ВОЛС выполняет так называемый транспондер, представляющей собой коммуникационное оборудование, выполняющее функции оптоэлектронного преобразования (модуляции-демодуляции) оптического сигнала и обработки протокола транспортного модуля оптического канала.
В настоящее время отечественные транспондеры некогерентных ВОСП используют два варианта реализации: на заказной элементной базе иностранного производства, входящей в состав стандартного коммуникационного оборудования иностранного производства и на элементной базе в виде ПЛИС с использованием отечественных алгоритмов цифровой обработки сигналов.
Первый вариант полностью совместим с транспондерами различных фирм производителей (Huawei, NEC, Siemens, Alcatel-Lucent и т.п.) по параметрам входных и выходных оптических сигналов. В этом случае,
подсистема приема-передачи сигналов ВОЛС ни чем не отличается от оборудования соответствующей фирмы-производителя. Несомненным достоинством данного варианта является полная совместимость по всем параметрам сигналов, а также выполнение всех требований по помехоустойчивости, определенных производителем коммуникационного оборудования. Однако существенным недостатком данного варианта является полная несовместимость транспондеров различных фирм-производителей и даже различных модификаций транспондеров одного производителя.
Второй вариант предполагает реализацию всех функций подсистемы приема-передачи сигналов ВОЛС на базе универсального технологического модуля, в состав которого входят ПЛИС высокой степени интеграции. Универсальный транспондер позволяет перепрограммировать прошивку ПЛИС, меняя алгоритм обработки в соответствии с параметрами принимаемых и передаваемых сигналов. Универсальность транспондера позволяет обеспечить совместимость с транспондерами различных фирм-производителей иностранного производства с одной стороны, а при необходимости, обеспечить уникальность сигнально-кодовых конструкций. Недостатком данного варианта является высокая стоимость универсального транспондера, вследствие наличия перепрограммируемой логики, а так же ограниченность в использовании эффективных методов помехоустойчивого кодирования, вследствие их высокой ресурсоемкости. Производители стандартных транспондеров избавлены от данного недостатка по причине использования принципиально отличной от ПЛИС технологии проектирования на базе заказных специализированных интегральных схем (ASIC -Amplification Specific Integrated Circuit).
С появлением когерентных ВОСП начиная со скорости 40 Гбит/c и выше основной проблемой для реализации универсального транспондера стали следующие факторы:
- необходимость реализации всех этапов приема (рис. 2) и обработки когерентного сигнала методами цифровой обработки сигналов (ЦОС);
- высокие требования к ресурсоемкости и производительности модулей ЦОС на базе ПЛИС, связанные с распараллеливанием всех этапов ЦОС;
- отсутствие в свободной продаже аналого-цифровых преобразователей (АЦП) и цифро-аналоговых преобразователей (ЦАП) с необходимыми для реализации универсального транспондера характеристиками.
Актуальность разработки отечественного транспондера сигналов когерентных ВОСП весьма высока в условиях международных санкций, введённых против РФ западными державами и в условия взятого курса на импортозамещение. Также актуальной является проблема существования недекларируемых свойств импортного оборудования, несущая угрозу безопасности функционирования отечественных систем связи в первую очередь специального назначения.
Оптический сигнал
ГУН
h 1
- оитическии сигнал
Поляризационное и квадратурное разделение, оптоэлектронное преобразование
АЦП
Компенсация временного и углового сдвига между квадратурами
коррекция сигнала
синхронизация демодулятора
ч цифровая обработка
частота дискретизации 2В
цифровая обработка частота дискретизации I
Оценка значений переданных символов, декодирование помехоустойчивых кодов
Выходные данные (биты)
Рис. 2. Основные этапы ЦОС когерентных ВОСП
Для решения задачи создания отечественной когерентной высокоскоростной системы оптической связи необходимо проведения ряда НИОКР, что поспособствует развитию следующим направлений:
1. Информационной безопасности (реализация устройства записи на основе доверенного оборудования позволит обрабатывать большие объемы данных в режиме реального времени с целью поиска недокументированных возможностей оборудования зарубежных фирм-производителей -Alcatel, ECI, Huawei, Siemens, NEC и др.).
2. Разработке доверенных отечественных транспондеров для передачи данных без регенерации с большой скоростью (десятки - сотни Гбит/с) на большие расстояния (сотни и тысячи км).
Повышение уровня локализации за счет использования элементной базы, производимой в РФ, позволит повысить контроль функционирования оптического приемо-передатчика, что позволит улучшить качество выполнения требований по информационной безопасности.
Структурная схема технологического стенда для реализации данных задач представлена на рис. 3.
Реализация такой грандиозной задачи возможна только за счет интеграции усилий научных коллективов ведущих НИИ и вузов страны, а также предприятий промышленности. В данном направлении:
1. Провести исследования построения магистральных когерентных ВОСП связи 40/100 Гбит/с.
2. Разработать алгоритмы обработки сигналов когерентных систем связи (40/100 Гбит/с).
3. Реализовать базовые алгоритмы цифровой обработки сигналов когерентных систем связи на ПЛИС.
4. Исследовать особенности применения оптических транспондеров на линиях связи, разработать требования к оптическим транспондерам и ТЗ на ОКР по созданию доверенного оптического транспондера.
ADC 56 GSa/s
ADC 56 GSa/s
48x11,2
SHI I«-HSPP |«-
Quartz
ADC 56 GSa/s
HSSI
ADC
56 GSa/s
SI'I |«~ HSPP
48x11.2
FPCA
48x11,2 Virtex
UltraScale
xcvum
VU13P
VU13P
140 Gbps
Рис. 3. Технологический стенд для разработки универсального транспондера сигналов когерентных ВОСП
Хочется верить, что существующая в настоящее время проблема разработки универсального отечественного транспондера сигналов когерентных ВОСП будет успешно решена усилиями предприятий и научно-инженерных подразделений отечественной промышленности.
Список литературы
1. Индекс развития визуальных сетевых технологий Cisco Visual Networking Index: прогноз и методика, 2015-2020.
2. Листвин В.Н., Трещиков В.Н. DWDM системы: научное издание. М.: Издательский Дом «Наука», 2013. 300 с.
Проскурин Александр Александрович, канд. техн. наук, сотрудник, bliznyuk@academ.msk.rsnet.ru, Россия, Орёл, Академия Федеральной службы охраны Российской Федерации,
Близнюк Василий Иванович, канд. техн. наук, сотрудник, hliznyukaacadem.msk.rsnet.ru, Россия, Орёл, Академия Федеральной службы охраны Российской Федерации,
Ивкин Владимир Борисович, канд. воен. наук, доцент, сотрудник, hliznyukaacadem.msk.rsnet.ru, Россия, Орёл, Академия Федеральной службы охраны Российской Федерации
IMPLEMENTATION ASPECTS OF THE DEVELOPMENT OF A DOMESTIC TRANSPONDER FOR COHERENT FIBER-OPTIC TRANSMISSION SYSTEMS WITH A
SPEED OF 100 GBIT/S
A.A. Proskurin, V.I. Bliznyuk, V.B. Ivkin
The issues of developing a domestic transponder for coherent fiher-optic communication lines are considered. The proposed universal transponder is based on a programmable element hase.
Key words: fiher-optic transmission systems, fiher-optic signal transponders, digital signal processing algorithms, programmahle logic integrated circuits.
Proskurin Alexandr Aleksandrovich, candidate of technical sciences, officer, hliznyukaacadem.msk.rsnet.ru, Russia, Orel, Academy of Federal Security Service of Russia,
Bliznyuk Vasiliy Ivanovich, candidate of technical sciences, officer, hliznyukaacadem.msk.rsnet.ru, Russia, Orel, Academy of Federal Security Service of Russia,
Ivkin Vladimir Borisovich, candidate of military sciences, docent, officer, hliznyukaacadem.msk.rsnet.ru, Russia, Orel, Academy of Federal Security Service of Russia
УДК 654.026
СНИЖЕНИЕ ИЗБЫТОЧНОСТИ СООБЩЕНИЙ КАНАЛА УПРАВЛЕНИЯ В РАСПРЕДЕЛЕННЫХ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМАХ НА ОСНОВЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СВОЙСТВ АРИФМЕТИЧЕСКОЙ ПРОГРЕССИИ
А. А. Горшков, А.В. Плахов
Представлен метод формирования канала управления в распределенных вычислительных системах с большим количества однотипных элементов и ограничениях на пропускную способность каналов связи, организованных для передачи команд управления на основе размещения элементов числовых рядов, удовлетворяющих арифметической прогрессии на множестве натуральных чисел. В рамках предложенного метода рассмотрен вариант экономного кодирования управляющих команд. Представлены результаты вычислительного эксперимента по исследованию технического эффекта от внедрения экономного кодирования на основе арифметической прогрессии.
Ключевые слова: канал управления, арифметическая прогрессия, распределенная вычислительная система.
Современный этап развития информационно-вычислительных систем характеризуется интенсивной разработкой и внедрением технологий распределенных вычислительных систем (РВС) в различных областях
69
