Rambler's Top100
 
 
Статьи
Джефф БЕННЕТ  16 мая 2014

Суперканал 2.0: что дальше?

Технология когерентного детектирования уже превзошла ожидания, царившие на рынке телекоммуникаций. В 100G-каналах когерентное детектирование обеспечивает в десять раз больше емкости на оптоволокно, чем в случае использования прямого детектирования каналов 10G, причем обычно обеспечивая заметно большую дальность  оптической передачи.

Джефф БЕННЕТ, директор по решениям и технологиям, InfineraПо этим причинам когерентное детектирование – это истинная инновация, которая будет использоваться в транспортных сетях дальней связи на протяжении следующего десятилетия.

Когерентные суперканалы еще более существенно продвинули технологию вперед, объединив несколько спектральных каналов в одной линейной карте и обеспечив таким образом максимальную эксплуатационную масштабируемость. Эти линейные карты поддерживают несколько форматов когерентной модуляции, чтобы операторы имели возможность балансировать дальность и емкость оптоволокна. Они даже способны мгновенно подключать дополнительную пропускную способность – в рамках данного подхода операторы сами определяют, какую долю емкости суперканала им нужно использовать. Согласно отчету Dell'Oro по рынку оптических сетей в третьем квартале 2013 года, суперканалы 500G на базе оптических интегральных схем (единственный тип суперканалов, поставляемых на рынок на момент написания статьи) составляют почти четверть всех спектральных каналов 100G в мире.

Итак, какую роль в данном успехе играет сама технология суперканалов? Операторы со всего мира признают, что им сегодня и в будущем требуется еще больше емкости сети, еще более высокая гибкость сети. Чтобы достичь такого результата, следует рассмотреть несколько направлений развития оптических сетей.

От фиксированной до гибкой сетки частот

Один из способов достичь поставленных операторами целей – это отказ от фиксированной сетки частот DWDM (стандартизированный в ранних версиях ITU-T G.694.1) и переход на гибкую сетку частот, которую можно регулировать с учетом спектральной ширины суперканала.

 Рис. 1. Гибкая схема несущих с шагом 12,5 ГГц

На рис. 1 схематично показано, как работает такая концепция. Последняя версия стандарта G.694.1 определяет гибкую сетку частот с шагом в 12,5 ГГц. Слева показан сигнал одной несущей 100 Гбит/с, использующий обычный когерентный тип модуляции, известный как квадратурная фазовая модуляция с поляризационным мультиплексированием (PM-QPSK). Данный формат модуляции используется в большинстве приложений 100G, так как предлагает идеальный баланс между емкостью волокна и дальностью оптической сети.  Получающийся в результате оптический сигнал соответствует типичному частотному каналу шириной 50 ГГц, то есть, он совместим с установленными оптическим мультиплексорами ROADM, которые работают на базе технологии выборочного переключения длины волны (WSS). Все WSS-устройства, которые внедрены в настоящее время, работают только с фиксированной сеткой частот, а 50 ГГц – самый распространенный вариант шага частот, совместимый с ROADM-мультиплексорами.

В случае с гибкой сеткой частот, полоса 50 ГГц для традиционных сигналов будут организована за счет использования 4 слотов («строительных блоков») по 12,5 ГГц. Кроме того, можно воспользоваться гибкостью новой сетки частот для поддержки как существующих,  так и будущих новых типов  суперканалов, создавая полосу частот для канала из нескольких «строительных блоков» по 12,5 ГГц.

На центральном изображении на рис.1 показано, что ширина суперканала составляет 250 ГГц – невозможно мультиплексировать его через традиционные ROADM-мультиплексоры, которые поддерживают сетку частот с шагом 50 ГГц. Для этого нужен новый тип ROADM – так называемый FlexROADM, который бы использовал более плотное расположение несущих в рамках сетки частот, чтобы обеспечить поддержку гранулярности 12,5 ГГц в сетке каналов. В данном примере для этого используются 20 таких «строительных блоков».

Справа на рис.1 показан еще один пример суперканала пропускной способностью 500 Гбит/с; заметьте, что он составляет только половину спектральной ширины канала в предыдущем примере. Это возможно благодаря использованию более эффективного типа модуляции 16-QAM с поляризационным мультиплексированием. В данном случае суперканалу понадобится только восемь «строительных блоков» по 12,5 ГГц.

Суперканал с модуляцией 16-QAM – прекрасное решение, если целью является достижение максимально возможной емкости оптоволокна, но это более дорогостоящая технология. В то время как PM-QPSK обычно обеспечивает оптическую дальность свыше 4 000 км до регенерации сервиса, PM-16-QAM способна обеспечивать дальность до 700 км при стандартных эксплуатационных запасах. То есть, получаем в два раза большую емкость, но лишь 1/6  возможной дальности.

В ожидании терабитных линейных карт

Суперканалы могут решить проблему, заключающуюся в несоответствии темпов повышения производительности электронных компонентов темпам масштабирования оптических компонентов: при использовании суперканала данные технологические процессы могут развиваться параллельно. Реализация пропускной способности суперканала на уровне 400G, 500G или 1 Тбит/с на одной плате требует наличия высокоскоростных полупроводниковых компонентов, которые на сегодняшний день не производятся и не появятся в течение ближайших нескольких лет. Да, есть демонстрации, но до коммерческих решений пока далеко.

Итак, доступные для рынка суперканалы используют оптические интегральные схемы, которые представляют собой тот же подход, который реализован в многоядерных процессорах. На рис.2 показано, как работает терабитный суперканал на базе 1, 2 или 10 несущих, то есть в данном случае нагрузка на электронные компоненты распределяется по нескольким несущим, объединенным в один суперканал.

 Рис. 2. Варианты реализации линейной карты на 1 Тбайт с модуляцией PM-QPSK

Когда в отрасли появятся электронные компоненты для более производительных суперканалов, следующим логичным шагом станет удвоение емкости суперканала, что позволит достичь емкости DWDM в 1 Тбит/с на одной линейной карте. Оптические ИС подобного масштаба уже были продемонстрированы, и теперь вся индустрия ждет, пока инженеры, работающие над электронными компонентами, смогут найти компромисс между вычислительной мощностью, энергопотреблением и стоимостью за бит. Но уже сейчас ясно, что терабитная линейная карта, реализованная на одном устройстве, максимально снизит требуемое для систем пространство, потребление энергии, а также стоимость решения.

Платформа на базе суперканалов

Рассмотрим платформы, в которые будут встроены такие линейные карты. Во-первых, стоит отметить, что очень немногие каналы 100 Гбит/с в сетях дальней связи передают хотя бы один сервис 100 GbE. Наиболее вероятным видится то, что это будут в основном сервисы 10G или даже 1G  в очень больших количествах – и так будет продолжаться достаточно долго, как говорят аналитики. Таким образом, для оптимального использования высокой и экономически эффективной общей емкости, предлагаемой суперканалами 100G, 500G  и 1T, понадобятся средства многоуровневого управления пропускной способностью.

Для оптической коммутации суперканалов 100G, 500G  или 1T, заполненных разнообразными сервисами, важны не только ROADM-мультиплексоры, но также необходимы функции обработки более низкого уровня (гранулярности) для более эффективного ввода/вывода, мультиплексирования и коммутации низкоскоростных сервисов. На рис. 3 продемонстрирована упрощенная схема достижения более высокой эффективности за счет комбинации DWDM-передачи с OTN-коммутацией. Даже на этом простом примере видно, как подобный подход к реализации процессов коммутации помогает сэкономить на оборудовании, в том числе за счет более эффективного использования оптических каналов опорной сети.

Рис 3. Пример, иллюстрирующий способы снизить затраты, связанные с оборудованием, и повысить эффективность сети за счет использования платформ с интеграцией DWDM/OTN

В верхней части рис. 3 на узлах не реализованы функции коммутации низкоскоростных сервисов. Это значит, что на узле А требуются две отдельные мукспондерные карты, частично использующие свою пропускную способность. Кроме них, необходимы два отдельных частично заполненных канала 100G, соединяющие узлы A, B и C. В нижней части рис.3 узлы имеют интегрированную функцию OTN-коммутации, для которого понадобится одна полностью заполненная карта мукспондера в узле А и один полностью заполненный канал между узлами A, B и C. И только на узле C  потребуется дополнительный канал, который послужит для передачи сервисов на узел Y.

В реальной сети  использование OTN-коммутации способно обеспечить достаточно высокую экономию. Однако внедрение функций коммутации в двух различных устройствах – это не идеальное решение: представьте, сколько волоконных соединений потребуется, чтобы соединить DWDM-терминал и шасси OTN-коммутатора на каждом узле. Большинство вендоров DWDM-систем предпочитают целостные платформы, которые объединяют высокоскоростную DWDM-передачу и передовые функции OTN-коммутации. Это могут подтвердить аналитики Infonetics Research, которые провели исследование готовности крупных операторов к интеграции OTN-коммутации в транспортные платформы в 2013 году: 86%  операторов планируют внедрить OTN-коммутацию, а из них 96% желали бы осуществить развертывание комплексных платформ DWDM/OTN к 2016 году.

Использование платформ с коммутацией OTN предлагает ряд преимуществ и с точки зрения реализации суперканалов. Имея цифровую природу, такая платформа использует плоскости управления операторского класса на базе, например, GMPLS, чтобы максимально автоматизировать проключение и восстановление сервисов, передаваемых по суперканалам. Инновационные средства обеспечения отказоустойчивости, например, ITU-T Shared Meshed Protection (SMP), позволяют существенно сэкономить за счет необходимой резервной емкости, используемой для восстановления сервиса. Реализуя технологию SMP в аппаратной платформе, возможно достичь «золотого стандарта» времени восстановления сервиса до 50 мс в сетях с ячеистой топологией.

Таким образом, платформа с интегрированными средствами OTN-коммутации предлагает эффективное мультиплексирование и агрегацию сервисов в высокоемких суперканалах и эффективные средства защиты сервисов от сбоев. Но так как в настоящее время скорость передачи данных в суперканалах 500 Гбит/с очень высока и имеет тенденцию стать еще выше в суперканалах 1 Тбит/с в будущем, такие коммутаторы должны разрабатываться с нуля как отдельная платформа на базе суперканалов. Их развитие нельзя повернуть вспять, чтобы адаптировать к менее мощным DWDM-системам или коммутационным платформам, ничем при этом не пожертвовав.

Таким образом, ключевым требованием при переходе на суперканалы  1 Тбит/с на одной линейной карте является реализация системы, которая способна поддерживать оптическую передачу при скорости 1 Тбит/с на слот и предложить полную степень поддержки мощных функций неблокирующей OTN-коммутации. Операторам следует уделить этому вопросу достаточное внимание при переходе на суперканалы, чтобы удостовериться в том, что они внедряют системы, которые не только предлагают экономичные средства реализации максимальной емкости на линейную карту, но и имеют достаточную емкость системных плат для обеспечения масштабирования в будущем.

Автоматизация эксплуатационных процедур

При наличии функций цифровой коммутации на каждом узле можно наблюдать высокую эффективность и стабильность работы плоскости управления операторского класса типа GMPLS, особенно в вопросах автоматического проключения сервисов и устранения аварий. Можно ли еще более усовершенствовать такую архитектуру, чтобы включить в нее также оптическую коммутацию?

Следующий шаг – это развитие новой технологии ROADM. Как было указано выше, мультиплексоры FlexROADM созданы для функционирования при гранулярности 12,5 ГГц, и самой оптимальной платформой коммутации на уровне ядра является платформа, в рамках которой реализованы функции FlexROADM CDC (colorless, directionless, contentionless) наряду с интегрированными линейными картами на базе суперканалов DWDM и неблокирующей OTN-коммутацией.

Многоуровневая коммутация (архитектура изображена на рис.4) позволяет операторам организовывать экспресс-маршруты на суперканалах в рамках всей сети. Данные маршруты (суперканалы) могут максимально эффективно заполняться трафиком на границе сети за счет OTN-коммутации, и одновременно  эффективно коммутироваться науровне оптических каналов в промежуточных экспресс-узлах сети, обеспечивая минимальную стоимость передачи бита. Новая инициатива IETF, которую назвали «оптической сетью со спектральной коммутацией» (SSON),  направлена на расширение среды действия GMPLS и смежных протоколов (например, OSPF-TE и RSVP-TE), чтобы в конечном итоге можно было работать с суперканалами с гибким спектром.

Рис. 4. Многоуровневая коммутационная матрица объединяет цифровые и оптические инструменты коммутации

GMPLS в будущем можно дополнить операторскими технологиями программно определяемых сетей (SDN), предоставляя таким образом возможность управлять не только  0 и 1 транспортными уровнями, но и уровнями 2-3, обеспечивая высокую степень оптимизации всей архитектуры. Именно здесь суперканалы с гибкой сеткой частот и интегрированные функции цифровой и оптической коммутации способны максимально увеличить экономическую эффективность сети.

Будущее суперканалов

Когерентные суперканалы – это уже доказавшая свою успешность в оптической отрасли технология, и они станут основой растущего количества оптических магистральных сетей дальней связи во всем мире. Логическим подходом к внедрению суперканалов является использование высокомасштабируемых оптических интегральных схем, чтобы повысить надежность решения и снизить энергопотребление систем, позволяя достичь высокой плотности линейных карт, используемых в платформах транспортных сетей.

Платформы на базе конвергенции DWDM и цифровой коммутации – это предпочтительный вариант для операторов сетей дальней связи, идеальная основа для применения передовых протоколов управления типа GMPLS. Нам еще предстоит увидеть развитие суперканалов следующего поколения на основе гибкой сетки частот – ведь они предложат операторам еще более высокую емкость оптоволокна и значительную гибкость архитектуры. Стоит ожидать и появления FlexROADM-решений следующего поколения, которые также могут быть интегрированы в конвергентную систему DWDM/OTN.

Поделиться:
Заметили неточность или опечатку в тексте? Выделите её мышкой и нажмите: Ctrl + Enter. Спасибо!