`

СПЕЦИАЛЬНЫЕ
ПАРТНЕРЫ
ПРОЕКТА

Архив номеров

Как изменилось финансирование ИТ-направления в вашей организации?

Best CIO

Определение наиболее профессиональных ИТ-управленцев, лидеров и экспертов в своих отраслях

Человек года

Кто внес наибольший вклад в развитие украинского ИТ-рынка.

Продукт года

Награды «Продукт года» еженедельника «Компьютерное обозрение» за наиболее выдающиеся ИТ-товары

 

Оптические методы передачи данных в коммуникационных сетях

0 
 

Телекоммуникационная индустрия неуклонно переходит на использование оптоволоконных каналов связи. А почему бы и нет? Запросы пользователей относительно пропускной способности магистралей растут, а оптоволoкно является практически идеальной средой для передачи данных. Прежде всего, свет, распространяющийся по оптоволокну, не подвержен электрическим помехам. Далее, передача данных по нему в высшей степени безопасна, поскольку излучение вовне отсутствует. Ко всему прочему оптоволоконный кабель не столь громоздкий по сравнению с другими, и сигналы распространяются по нему с меньшим затуханием и, следовательно, на большие расстояния. Емкость канала позволяет передавать по одной нити огромное количество информации.

Пионерские работы по использованию оптоволокна для передачи данных восходят к 1966 г. Сегодня имеется много типов оптического кабеля, оптимизированного для различных скоростей передачи и расстояний. Однако мы не будем здесь рассматривать историю разработок и особенности типов волокон -- интересующийся этими вопросами читатель может найти соответствующую информацию по адресу www.itc.ua/3422, а непосредственно перейдем к технологиям передачи данных и основным архитектурным схемам оптических сетей.

Передаваемый сигнал состоит из двух компонентов. Одним является посылаемая информация, т. е. набор единичек и нулей, а другим -- собственно оптический сигнал, который несет эту информацию. Здесь важно понимать, что эти компоненты реализуются различными сетевыми элементами, или уровнями. Первый относится к уровню синхронизации, тогда как второй -- к оптическому. Идея здесь проста, она сродни принципу "разделяй и властвуй". Каждый уровень занимается только своими функциями. Так, например, уровень синхронизации содержит преобразователи оптических сигналов в электрические, которые затем обрабатываются узлом, тогда как оптический содержит призмы, зеркала и тому подобные элементы. Серии из единиц и нулей соответствует серия значений напряжений, которые впоследствии преобразуются в световые импульсы, излучаемые лазером.

В зависимости от масштаба сети подразделяются на два типа: городские и дальней связи. Это разделение обусловлено различными сценариями передачи. Упрощенно сеть дальней связи можно представить как высокоскоростную магистраль с минимальным набором сервисов. Граф сети относительно стабилен. Однако с ростом трафика такая сеть должна иметь возможность значительно расширяться. Городские сети предусматривают богатый набор различных сервисов, их граф быстро меняется, по мере того как к ним подключаются новые пользователи. Для городских сетей характерны небольшие расстояния между узлами, и это является важным фактором при выборе оптических решений.

Для успешного развертывания оптические сети обязаны удовлетворять ряду требований. Прежде всего они должны обладать гибкостью. В данном контексте под этим подразумевается возможность выбора различных маршрутов трафика для разгрузки каналов. Это справедливо как для городских, так и для сетей дальней связи. Поскольку прокладка новых кабелей обходится достаточно дорого, требуется обеспечить высокую степень мультиплексирования сигналов, т. е. передачи по одному волокну данных от многих источников. Наконец, необходимо оптимизировать выбор типа оптоволокна в зависимости от длины каналов связи. Так, в сетях дальней связи оптический сигнал должен распространяться на большие расстояния без регенерации, в то время как в сетях масштаба города можно обойтись более дешевой оптикой. Рассмотрим, как реализуются эти требования, нарушив из соображений удобства порядок.


Методы мультиплексирования

Оптические методы передачи данных в коммуникационных сетях
Рис. 1

Первым методом уплотнения каналов в оптических сетях было мультиплексирование с разделением по времени (Time Division Multiplexing -- TDM). Напомним вкратце его суть. Мультиплексор TDM в строгой очередности считывает порцию данных (бит или байт) с каждого из n входящих каналов, независимо от того, активен он или нет (рис. 1). Другими словами, каждому источнику для его данных выделяется отрезок времени, или временной слот. Результирующий поток бит преобразуется посредством лазера в световые импульсы. Таким образом по одному каналу передаются упорядоченные во времени кадры. В синхронном режиме работы скорость передачи данных в суммарном потоке определяется частотой считывания. На приемном конце демультиплексор, работающий синхронно с мультиплексором, разделяет потоки, которые направляются адресатам. Сегодня в сетях SONET/SDH удается достичь пропускной способности 10 Gbps.

Оптические методы передачи данных в коммуникационных сетях
Рис. 2

Большие возможности предоставляет технология оптического, или спектрального, уплотнения, называемая обычно мультиплексированием с разделением по длине волны (Wavelength Division Multiplexing -- WDM). Она была предложена в 1980 г. Дж. П. Лауде (J. P. Laude) из компании Instruments S. A. Ее суть сводится к тому, что потоки данных переносятся световыми волнами различной длины. Несущие, генерируемые отдельными источниками (лазерами), модулируются некоторым цифровым сигналом и затем объединяются мультиплексором в многочастотный сигнал (рис. 2). Формально технология очень напоминает мультиплексирование с разделением по частотам (Frequency Division Multiplexing -- FDM), широко применяемое в аналоговой телефонии.

Оптические методы передачи данных в коммуникационных сетях
Рис. 3

Выходные каналы SONET могут быть направлены на вход WDM-мультиплексора (рис. 3). Сегодня эта аппаратура позволяет уплотнить 160 каналов и получить суммарную пропускную способность 1,6 Tbps. Это, конечно, не предельное значение. TDM-мультиплексоры следующего поколения обеспечивают скорость передачи 40 Tbps. Так что для результирующей пропускной способности получаются умопомрачительные значения.


Гибкая архитектура против фиксированной

Оптические методы передачи данных в коммуникационных сетях
Рис. 4

Основная задача сетей состоит в том, чтобы связать между собой узлы. Здесь возможны два подхода: фиксированные каналы типа точка--точка и сети со сложным графом, включающим пересечения и подсоединения. Первые, в отличие от вторых, не позволяют менять маршрут трафика. Фиксированные каналы используются в том случае, когда не предвидится каких-либо изменений в сети, объединяющей конечных пользователей. Более гибкими в плане изменений являются сети, применяющие коммутируемую или шинную архитектуры (рис. 4). Коммутаторы в сетях TDM называются Digital Cross-connect System (DCS), а в сетях WDM -- Photonic Cross-Connect (PXC). Подсоединение узлов к TDM-сети выполняется с помощью мультиплексоров ввода/вывода каналов (Add-Drop Multiplexer -- ADM), тогда как в случае WDM -- с помощью оптических мультиплексоров ввода/вывода каналов (OADM).


Как "сокращаются большие расстоянья"

Оптические методы передачи данных в коммуникационных сетях
Рис. 5

Наиболее эффективный режим передачи достигается тогда, когда на вход приемника поступают короткие импульсы большой амплитуды. Два основных эффекта препятствуют этому: затухание сигнала и хроматическая дисперсия (рис.5). Затухание вызвано взаимодействием света с веществом, хроматическая дисперсия является более тонким эффектом. Она связана с тем, что источники световых импульсов (лазеры или светодиоды) излучают хотя и в узком диапазоне спектра, но, тем не менее, не монохромный свет. Волны различной длины распространяются в сердцевине с разными скоростями, что приводит к искажению формы импульса. Однако значением дисперсии можно управлять с помощью соответствующих изменений оптических характеристик волокна и выбора длины волны излучения. Хроматическая дисперсия имеет две составляющие. Одна вызвана композицией сердцевины, а вторая обусловлена неполным внутренним отражением (некоторая часть светового импульса распространяется в оболочке). Эти два эффекта могут быть сбалансированы с целью получения минимальной дисперсии. Для стандартного одномодового оптоволокна длина волны с практически нулевой дисперсией составляет 1310 нм. С помощью определенных присадок можно добиться сдвига длины волны, для которой дисперсия равна нулю, в область с минимальным затуханием. Она находится в районе 1550 нм, а соответствующий продукт называется "оптоволокно со сдвинутой дисперсией" (dispersion-shifted fiber). Подобными ухищрениями в одномодовых волокнах удается достичь полосы пропускания 100 GHz-km (для сравнения, в высокопроизводительных многомодовых системах этот показатель равен 1 GHz-km).

Оптические методы передачи данных в коммуникационных сетях
Рис. 6

В типичном случае импульс света может распространяться на 40--80 км, сохраняя при этом удовлетворительные характеристики. Для усиления и формирования световых импульсов использовалась их регенерация -- они преобразовывались в электрические сигналы, а затем переизлучались. В WDM-системах регенерацию необходимо выполнять отдельно для каждой длины волны света. Хотя это простой процесс, однако аппаратура весьма дорогостоящая. Альтернативой служат оптические усилители -- участки волокна с примесью эрбия, который приводят в возбужденное состояние с помощью лазера накачки. Усиленное излучение стимулируется проходящим световым потоком. Одним из наиболее важных достоинств такого метода, кроме удивительной простоты, является слабая зависимость вынужденного излучения от частоты падающего света, что позволяет выполнять усиление в достаточно широком диапазоне частот (обычно это полоса 1530--1560 нм). Однако число усилителей в каскаде ограничено, и после достижения максимума необходимо все же регенерировать сигнал. Пример такой сети представлен на рис. 6.

0 
 

Напечатать Отправить другу

Читайте также

 
 
IDC
Реклама

  •  Home  •  Рынок  •  ИТ-директор  •  CloudComputing  •  Hard  •  Soft  •  Сети  •  Безопасность  •  Наука  •  IoT