Введение
Развитие различных технологий связи, как фиксированной, так и мобильной, вызвано, в первую очередь, повышенным интересом людей к возможностям и услугам, которые предоставляет Интернет. По мере роста количества пользователей мобильного интернета и постоянно возрастающей потребности иметь возможность мобильного широкополосного доступа (ШПД) не только в домашних условиях или на рабочем месте, а в любой точке нахождения современного пользователя интернета, мобильный ШПД становится с каждым днем более распространенным. Огромная роль сети Интернет в современном мире обмена информации неоспорима и не нуждается в подтверждении. С помощью глобальной сети люди имеют возможность работать, учиться, общаться, обмениваться данными, просматривать потоковые видеофайлы, прослушивать аудиозаписи, а также пользоваться в режиме онлайн услугами коммерческих компаний и государственных учреждений.
Большая часть из этих пользователей получат услуги мобильного ШПД, благодаря современным сетям с поддержкой таких сетевых протоколов передачи данных, как 3G/UMTS, HSDPA (High-Speed Downlink Packet Access), HSPA (High Speed Packet Access), HSPA+ (Evolved High-Speed Packet Access) и LTE (Long Term Evolution).
Всё возрастающие объёмы передаваемой информации накладывают определенные требования к сетям передачи данных. Операторы связи для того, что бы оставаться конкурентоспособными должны отдавать себе отчет, что их сети связи нуждаются в постоянной модернизации. Постоянное, планомерное обновление оборудования, внедрение новых технологий, позволяет наращивать абонентскую базу, увеличивать скорость соединения, а так же расширять спектр услуг и сервисов.
Любая мультисервисная сеть нуждается в качественном «транспорте». Транспортные сети объединяют разнесенные в пространстве мультисервисные сети связи. Они должны обладать большой пропускной способностью для передачи разнородного трафика, а так же надежностью, так как любая авария на сегменте такой сети может привести к временной задержке передачи трафика, следовательно, к снижению прибыли. Транспортная сеть должна своевременно модернизироваться и расширяться.
Наиболее перспективной технологией, которая позволяет создавать гибкие разветвленные оптические сети с практически неограниченными возможностями роста полосы пропускания, является технология волнового уплотнения WDM (Wavelength Division Multiplexing). Суть технологии WDM заключается в том, что по одному оптическому волокну одновременно передается несколько информационных каналов на разных длинах волн. Благодаря WDM удается организовать двустороннюю многоканальную передачу трафика по одному волокну. Работать с несколькими каналами в одном волокне намного удобнее, чем с несколькими волокнами, так как для обработки любого числа каналов в волокне требуется лишь один мультиплексор WDM, один демультиплексор WDM и соответствующее расстоянию число оптических усилителей.
Одним из важнейших моментов при использовании технологии DWDM является передающийся трафик. Большинство оборудования, существующего в настоящее время, поддерживает передачу только одного типа трафика на одной длине волны. В результате возникает ситуация, когда трафик не до конца заполняет оптоволокно. Таким образом, по каналу с формальной пропускной способностью, например STM-16, передается менее плотный трафик.
Технология WDM фактически позволяет одному волокну работать как целому ряду «виртуальных волокон», каждому на своей длине волны. Использование системы WDM на существующих волоконно-оптических линиях связи обеспечивает значительную экономию средств по сравнению с прокладкой новых волоконно-оптических кабелей.
Целью данного дипломного проекта является модернизация транспортной сети, которая будет соответствовать требованиям по пропускной способности, надежности и расширяемости сети.
Техническое предложение
Целью данного дипломного проекта является модернизация сегмента транспортной сети оператора ОАО «Вымпелком».
Задачи дипломного проектирования:
- проанализировать рост трафика;
- изучить техническое состояние участка транспортной сети, подлежащего модернизации;
- оценить параметры существующей линии связи;
- рассчитать объем трафика передачи данных на модернизируемом участке сети;
- обосновать выбор нового оборудования;
- выбрать место размещения оборудования.
Анализ роста трафика
Широкополосный, или высокоскоростной доступ в Интернет обеспечивается благодаря современным сетям с поддержкой таких сетевых протоколов передачи данных, как 3G/UMTS, HSDPA, HSPA, HSPA+ и LTE.
Ниже представлен график, предоставляющий информацию о росте трафика базовых станций, составленный согласно статистическим данным мобильного оператора по Республике Башкортостан.
Рисунок 1.1 – График роста трафика
График наглядно показывает, что рост трафика имеет линейный характер и за год увеличивается в 3 раза. Рост обусловлен вводом в эксплуатацию новых базовых станций и тем, что объемы трафика существующих базовых станций растут в 2 раза по сравнению с предыдущим годом. Для того чтобы объемы трафика могли расти такими же темпами, необходимо увеличение скоростей доступа в интернет, увеличение численности абонентов. А число абонентов прямо пропорционально зависит от качества предоставляемых услуг. В настоящее время, оператор использует различные технологии радиодоступа, которые позволяют передавать данные по радио эфиру одному абоненту в сети стандарта UMTS со скоростью 2 Мбит/с и выше. При использовании протокола HSPA скорость передачи данных в направлении от базовой станции к мобильному телефону может быть до 14 Мбит/с и от мобильного телефона к базовой станции – до 5,7 Мбит/с. Как показывает практика, увеличение пропускной способности радио эфира не решает вопрос об увеличении скорости передачи данных в целом, так как большим препятствием является пропускная способность интерфейса между базовой станцией и контроллером радиосети.
Базовые станции подключены к транспортной сети платами 4xE1, причем на большинстве БС нет возможности расширения. Решить данную проблему можно построением новой транспортной сети, имеющей «All-IP» структуру.
Характеристика существующей сети
В настоящее время юго-западный сегмент сети передачи данных оператора построен на последовательно соединенных SDH мультиплексорах STM-16 уровня, установленных в необслуживаемых регенерационных пунктах (НРП) и базовых станциях. До базовых станций, удаленных от волоконно-оптических линий передач, транспорт организован по радио-релейным линиям связи Eclipse.
Eclipse ODU 300 представляет собой модульное решение, позволяющее организовать до шести радионаправлений с одного внутреннего блока; максимальная пропускная способность одного направления составляет 75xE1/1xSTM1/150Мбит/c в полосе до 28МГц и 150хЕ1/2xSTM1/300Мбит/c в
полосе 56МГц. Блок ODU 300 поддерживает любой тип трафика, all-IP/Ethernet, все TDM, или гибридный в смешанном режиме Ethernet наряду с TDM, поддерживая модуляции от QPSK до 256 QAM [1].
Рисунок 1.2 – Внешний вид оборудования Eclipse INU ODU 300
В качестве SDH мультиплексоров используется платформа Ciena Optical Multiservice Edge 6500 (OME), которая может работать в SDH и SONET, поддерживает широкий спектр сервисов, начиная от частных линий E1/ DS-1 и заканчивая частными линиями STM-1/4/16/64 и OC-3/12/48/192 и высокоскоростными интерфейсами передачи данных [2].
Схема организации связи представлена в Приложении А.
Рисунок 1.3 – Внешний вид платформы Ciena Optical Multiservice Edge 6500 (OME)
1.3 Обзор протоколов и оборудования планируемой сети
Современные транспортные телекоммуникационные сети должны быть универсальными. Перед оператором встает проблема перехода на другие протоколы передачи данных, позволяющие более эффективно работать в условной подсети 2G, поскольку она будет присутствовать для тех базовых станций, которые не имеет смысла обновлять прямо сейчас. Также транспортная сеть сможет передавать данные для сети 2,5G. И, наконец, необходимо обеспечить оптимальную передачу данных для активно развивающихся сетей третьего (3G) и четвертого (4G) поколения и будущих сервисов, базирующихся на IP.
Учитывая тенденции в развитии технологий передачи данных, логично предположить, что любая современная сеть должна строиться на базе архитектуры IP, как наиболее универсального протокола, предоставляющего возможность оптимально передавать трафик любого типа.
Благодаря стремительному росту повсеместного использования IP с плавной конвергенцией услуг связи к Интернету, использование транспортных возможностей протокола IP в сотовой сети стало чрезвычайно актуальным [3]. Транспортировка информации на основе протокола IP стала обычным явлением в фиксированных сетях. Таким образом, он доказал свою устойчивость и способность поддерживать сложные функциональные архитектуры с более гибкой топологией сети, чем сети на основе систем передачи с временным разделением каналов (ВРК) и asynchronous transport module (AТМ). Транспортировка информации на основе протокола IP имеет преимущества по экономическим показателям, открытости протоколов, простоте и лёгкости внедрения. Он удовлетворяет требованиям к сети UMTS, а также ослабляет ограничения, присущие транспортной технологии ATM, по крайней мере, при передаче данных.
IP – это набор стеков протоколов, установленных рабочей группой по проблемам Интернета (IEFT), которые и составляют основу Интернета. Все услуги, такие как электронная почта, просмотр страниц, игры и т. д., используют IP для передачи информации по мировой сети. Поскольку каждый пакет данных идентифицируется с помощью уникального адреса всемирной сети, то для передачи данных от источника к месту назначения используются только механизмы адресации и маршрутизации [4].
Совместно с другими наборами протоколов высокого уровня, такими как протокол управления передачей TCP, IP представляет собой простой и гибкий механизм передачи данных, который может передавать любой вид цифровой информации между устройствами в мировой сети, включающей неоднородные сети и подсети. Когда персональный компьютер, мобильное или другое IP-устройство, имеющие глобальные IP-адреса, хотят передать сообщения на другое IP-устройство, внутренняя часть сообщения загружается в IP-пакет. Если пакет содержит уникальный IP-адрес устройства-получателя и в Интернете имеются IP-маршрутизаторы, то пакет доставляется в пункт назначения. В принципе такая же процедура применяется для всех услуг, поддерживаемых Интернетом [16].
Благодаря простоте, открытости и гибкости организации транспорта по протоколу IP, а также его всеобщему признанию IP может использоваться и в сетях UMTS.
Рисунок 1.4 – Упрощенный пример передачи пакета IP в транспортной сети UMTS от источника к адресату
Однако в существующем виде конвергенция мобильных сетей с IP сталкивается с новыми препятствиями. Существующая версия IPv4 относится к 1980-м годам, когда было трудно прогнозировать широкое распространение Интернета. Первоначально протокол IPv4 не предполагалось использовать для предоставления мультимедийных услуг, в то время как основным требованием UMTS стало одновременное предоставление услуг с коммутацией каналов и коммутацией пакетов. Поэтому обеспечение качества обслуживания в сочетании с традиционными недостатками IPv4 (т. е. ограниченным адресным пространством) были основными препятствиями для использования IP в мобильных сетях. Появление новой версии IP (т. е. IPv6) устраняет эти недостатки. Таким образом, обновлённая базовая пакетная сеть на основе IPv6 полностью подходит для удовлетворения ключевых требований сетей UMTS, позволяя предоставлять услуги реального и относительного времени. Это позволяет операторам пользоваться преимуществами базовой сети типа «All – IP», используя единую технологию, которая должна упростить структуру сети и организацию передачи в ней. Кроме того, это делает предоставление услуг более экономичным и гарантирует их качество.
Для решения проблем транспортных сетей, связанных с быстрым ростом трафика пакетных сервисов, компания Huawei разработала линейку транспортных платформ OptiX ATN, ориентированных на all-IP эволюцию. Мультисервисная платформа OptiX ATN 910 решает задачи уровня доступа транспортной сети. OptiX ATN 910 совместно с другими продуктами линейки OptiX ATN может формировать городские и региональные транспортные сети.
Устройство ATN 910 разработано с учетом требуемого функционала и сервиса при минимизации совокупной стоимости владения операторов при эволюции мобильных сетей. Оборудование ATN 910 является лучшим решением для уровня доступа сети для операторов связи 2G/3G/LTE благодаря концепции «любой интерфейс, любой сервис» и поддержки пакетной коммутации, ориентированной на работу с LTE.
Устройство ATN 910 обладает множеством уникальных функций, таких как передача синхронизации через соединения любого типа, фазовая и частотная синхронизация, единая технология обработки пакетов для различных типов сервисов, функции разделения передачи голоса и данных. В комбинации с эффективной системой управления, ATN910 является лучшим решением для минимизации целевых затрат при построении сети, позволяет сократить стоимость полосы пропускания и улучшить качество внедрения эксплуатации и поддержки.
Шасси ATN 910 имеет высоту в 1 технологическую единицу и состоит из одной многофункциональной платы управления и двух слотов под сервисные интерфейсные платы.
Рисунок 1.5 – Внешний вид Optix ATN 910
Архитектура all-IP, совместимая с LTE и мультисервисными услугами, обеспечивает защиту инвестиций. Устройство ATN 910 имеет полностью пакетную архитектуру для передачи и мультиплексирования различных сервисов (TDM/ATM/Ethernet/IP), что увеличивает гибкость сети, повышает эффективность транспортного ресурса, поднимает надежность и структурно понижает общую стоимость владения. Оборудование ATN 910 работает на основе семейства стандартов MPLS/MPLS-IP. Это устройство использует технологии, ориентированные на соединение, обеспечивает высокую пропускную способность в совокупности с низкой задержкой, а так же поддерживает протоколы третьего уровня и функции виртуальных частных сетей (VPN) L2/L3. Таким образом, ATN 910 отвечает требованиям современных транспортных сетей для мобильных операторов связи и обеспечивает плавную эволюцию к LTE и универсальным сетям мобильного и фиксированного доступа.
Быстрая организация сервисов в любых условиях благодаря широкому спектру интерфейсов (таких как оптоволоконные интерфейсы, радиорелейные и медные). Устройство ATN 910 поддерживает E1 (TDM/IMA), FE/GE (оптические/электрические) и канализированные STM-1 интерфейсы с клиентской стороны (UNI). С сетевой стороны (NNI) поддерживаются канализированные STM-1, FE/GE (оптические/электрические), E1, радиорелейные и xDSL интерфейсы. Особый вклад в спектр доступных опций для внедрения новых сервисов вносит поддержка радиорелейных интерфейсов. Эти интерфейсы позволят ускорить внедрение новых узлов.
Устройство ATN 910 поддерживает передачу синхронизации с использованием протокола IEEE 1588v2, синхронного Ethernet (synchronous Ethernet), механизма адаптивного восстановления синхронизации (ACR). Поддерживаются как проводные, так и радиорелейные интерфейсы для передачи синхронизации. Такой подход соответствует требованиям по передачи синхронизации при широком спектре интерфейсов доступа, решает проблему синхронизации для опорной сети передачи данных оператора мобильной связи и уменьшает инвестиции в оборудование синхронизации [5].
Сервисная платформа CX600 для городских и магистральных сетей (CX600) создана для использования в сетях поставщиков телекоммуникационных услуг и характеризуется функцией схождения пакетов фиксированной и мобильной связи. Поскольку эта платформа охватывает доступ, слияние и передачу данных, CX600, как правило, используется на уровнях доступа и конвергенции сетей поставщиков [13].
СX600 поддерживает функции MPLS L3/L2 VPN, QinQ, коммутацию VLAN, а так же гибкий механизм управления таблицей MAC адресов. Это значительно повышает возможности масштабирования и защиты сервисов в городских и магистральных сетях Ethernet. Кроме того, CX600 поддерживает комплексную тактовую синхронизацию сетей Ethernet и 1588v2, что соответствует требованиям к развитию сервисов в городских сетях операторского класса.
CX600 поддерживает ряд функций, включая доступ пользователей по протоколу IPv6, аутентификацию, и множественные NAT или механизмы переходов, включая двойной стек DS-Lite, туннелирование и трансляцию. CX600 поддерживает разделение узлов для оптимизации времени конвергенции и увеличения IPv6 в целях повышения расширяемости. Все эти характеристики способствуют предоставлению комплексного решения для высокоэффективного перехода от IPv4 к IPv6.
Рисунок 1.6 – Внешний вид СX600
Благодаря дизайну операторского класса, SRU, SFU, модули источников питания, модули вентиляторов, шины управления и шины передачи данных CX600 также поддерживает привязку портов, протокол виртуального резерва (VRRP) и протокол быстрой кольцевой защиты (RRPP) для обеспечения бесперебойной работы в случае отказа соединений.
Благодаря наличию таких функций как «мягкий перезапуск» (GR), быстрая конвергенция, определение двунаправленной переадресации (BFD), быстрая переадресация IP (FRR), протокол распределения меток (LDP) FRR, TE FRR, VPN FRR и VLL FRR. CX600 обеспечивает конвергенцию сервисов в пределах 50 мс при возникновении неполадок, что в свою очередь обеспечивает бесперебойную работу системы. Кроме того, CX600 поддерживает протоколы MPLS OAM, Ethernet OAM, Y.1731, PWE3 и защиту резервирования сервисных маршрутизаторов. Благодаря этим функциям CX600 достигает уровня миллисекунд при защитном переключении.
Многофункциональность: помимо сервисов ATM, Ethernet и L2/L3 VPN, CX600 содержит встроенную функцию кэширования видео, обеспечивающую высокое качество услуг IPTV. Кроме того, CX600 обеспечивает функции IPSEC и NAT, позволяющие создать безопасную и управляемую сеть.
Решение синхронизации тактовой частоты мобильного обратного транзита: CX600 полностью поддерживает синхронизированный протокол Ethernet и 1588v2, которые соответствуют будущим требованиям к схождению пакетов фиксированной и мобильной связи и LTE.
CX600 поддерживает ряд функций, включая доступ пользователей по протоколу IPv6, аутентификацию и механизмы переходов, включая двойной стек, туннелирование и трансляцию. CX600 поддерживает разделение узлов для оптимизации времени конвергенции IPv6 и увеличения IPv6 FIB в целях повышения расширяемости. Все эти характеристики способствуют предоставлению комплексного решения для высокоэффективного перехода от IPv4 к IPv6 [6].
Описание WDM
Система спектрального уплотнения основана на способности оптического волокна одновременно передавать световые сигналы различных длин волн без взаимной интерференции. Каждая длина волны представляет собой отдельный канал (несущую) в волокне. Существуют различные методы для того, чтобы объединить несколько каналов в одном волокне, а затем выделять их в необходимых точках сети. На сегодняшний день технология WDM позволяет передавать по одному волокну каналы с разницей длин волн между соседними каналами всего в доли нанометра, что называется плотным волновым мультиплексированием DWDM (Dense WDM). Развитие технологии WDM позволило создать коммерческие сети, в которых по отдельным волокнам передается более сотни независимых оптических каналов, а также сети, в которых передача сигналов осуществляется в обоих направлениях в одном и том же оптическом волокне.
Своими успехами технология DWDM во многом обязана достижениям в разработке усилителей на оптическом волокне, легированном эрбием EDFA (ErbiumDopedFiberAmplifier). В этих устройствах за счет энергии лазера накачки осуществляется усиление всех поступивших на вход каналов, длины волн которых лежат в рабочем диапазоне усилителя. В усилителе EDFA оптические сигналы усиливаются без преобразования в электрические и обратно, что дает возможность создать сети передачи данных высокой протяженности при значительной экономии электронных компонентов.
В технологии TDM входные низкоскоростные каналы, приведены к стандартным скоростям и синхронизированы друг с другом, объединяются в один составной высокоскоростной канал передачи. Каждому низкоскоростному каналу выделяются периодически повторяющиеся временные интервалы (тайм-слоты). Для того, чтобы увеличить пропускную способность линии связи (передать большее количество низкоскоростных каналов), нужно увеличить битовую скорость составного канала, что приводит к удорожанию оборудования и усложнения протоколов передачи. Кроме того, для восстановления первичных низкоскоростных каналов на стороне приемника необходимо более тщательно обеспечивать защиту и идентификацию каждого тайм-слота.
В отличие от TDM, технология WDM позволяет увеличить пропускную способность линии связи, не меняя существующее электронное оборудование. Новые каналы добавляются в линию связи на новых длинах волн, никак не затрагивая существующие каналы. Каналы могут иметь различные протоколы и скорости передачи и, их не требуется синхронизировать между собой.
Первые устройства WDM позволяли передавать по одному волокну от 4 до 16 каналов, каждый из которых поддерживал передачу сигналов синхронной цифровой иерархии SDH/SONET со скоростью 2,5 Гбит/с. Сегодня производители оборудования DWDM разрабатывают системы емкостью в несколько десятков каналов. Имеются опытные системы, которые позволяют передавать по одному оптическому волокну сотни каналов и по суммарной скорости передачи приближаются к 1 Тбит/с. Системы с такой пропускной способностью представляют исключительный интерес для операторов связи.
В технологии WDM нет большинства ограничений и технологических трудностей, свойственных TDM. Для повышения пропускной способности, вместо увеличения скорости передачи в едином составном канале, как это реализовано в технологии TDM, в технологии WDM увеличивают число каналов применяемых в системах передачи.
Увеличение роста пропускной способности при использовании технологии WDM осуществляется без дорогостоящей замены оптического кабеля. Применение данной технологии позволяет сдавать в аренду не только оптические кабели или волокна, но и отдельные длины волн. По одному волокну на разных длинах волн можно одновременно передавать самые разные приложения – кабельное телевидение, телефонию, трафик Интернет, видео по требованию и т.д. Часть волокон в оптическом кабеле можно использовать для резерва.
Технология WDM позволяет исключить дополнительную прокладку оптических кабелей в существующей сети. Если в ближайшем будущем стоимость волокна уменьшится за счет использования новых технологий, волоконно-оптическая инфраструктура всегда будет стоить достаточно дорого. Для эффективного использования ресурсов волокна, необходимо иметь возможность в течение долгого времени увеличивать пропускную способность сети и изменять набор предоставляемых услуг без замены оптического кабеля. Данная технология предоставляет такую возможность.
Технология WDM применяется в основном на линиях связи большой протяженности, где необходима большая полоса пропускания. Сети регионального масштаба и городского и системы кабельного телевидения также являются широким рынком для технологии WDM. Необходимость эффективно использовать проложенный кабель привела к значительному увеличению числа каналов, передаваемых по одному волокну, и уменьшению расстояния между ними. В настоящее время системы с частотным интервалом между каналами 100 ГГц (0,8 нм) и меньше называют системами плотного волнового мультиплексирования DWDM. Теоретически возможна передача в любом диапазоне длин волн, однако практически ограничения оставляют для использования в системах узкий диапазон в окрестности длины волны 1550 нм. Но даже узкий диапазон предоставляет большие возможности для передачи данных.
Преимущества систем отражаются на их цене. Во-первых, становится исключительно важным многие свойства оптических компонентов и характеристики оптического кабеля. Во-вторых, требования к архитектуре сети и выбору компонентов систем WDM является более жестким, чем, например, для систем TDM уровня STM-16.
Совместное применение технологий TDM и WDM позволяет значительно расширить спектр предоставляемых услуг, оставляя практически без изменений большую часть имеющегося оборудования. Применение технологии WDM дает многочисленные преимущества, однако требует высокого уровня подготовки технического персонала и современного контрольно-измерительного оборудования [7].
По мере роста объемов перед операторами связи встает вопрос о модернизации существующих городских транспортных сетей. Пропускную способность волоконно-оптических сетей можно увеличить двумя способами (рисунок 1.7): повысив уровень STM-сигнал или внедрив технологию плотного волнового мультиплексирования (Dense Wavelength Division Multiplexing –DWDM). Технология DWDM предполагают спектральное разделение полосы пропускание волокна на несколько оптических каналов. Таким образом, в одной паре волокон параллельно передается несколько независимых каналов (каждый на своей длине волны), что влияет на повышение пропускной способности системы передачи [12].
Рисунок 1.7 – Стратегия увеличения емкости сети DWDM
Многие из ведущих производителей имеют DWDM-оборудования, которое позволяет мультиплексировать в С-диапазоне (1530 – 1565 нм) до 40 оптических каналов при ширине одного канала 100 ГГц или до 80 оптических каналов при его ширине 50 ГГц. В этом случае максимальная емкость одного оптического канала составляет 10 Гбит/с (уровень STM-64). В диапазоне L (1570 – 1605 нм) максимальное число оптических каналов может достигать 80 при ширине каналов 50 ГГц.
При использовании DWDM-оборудования на 160 каналов одновременно в диапазоне C и L (С+L) возникают определенные требования к оптическим кабелям, а именно: затухание в С- и L-диапазонах должно быть примерно одинаковыми. Возникает необходимость использовать оптический кабель с симметричными в этих диапазонах характеристиками по затуханию. Такие кабели разработаны сравнительно недавно. В подавляющем же большинстве случаев операторы используют кабели с несимметричными характеристиками в С- и L-диапазонах. Так, для кабелей, соответствующих рекомендации G.652, разница затухания в указанных диапазонах может достигать 0,02 дБ/км, что при пересчете на участок дает разницу до 2 дБ.
В настоящее время на рынке появились принципиально новые, солитоновые DWDM-системы, которые позволяют существенно увеличить пропускную способность каналов и дальность передачи. Основное свойство оптического солитона – возможность распространения оптического импульса без дисперсионного расплывания. Солитон – это модулированный по интенсивности оптический импульс, который за счет нелинейного взаимодействие межу спектральными составляющими поддерживает неизменной форму оптического сигнала по мере его распространения в волокне. В линейных средах спектральные составляющие оптического импульса не взаимодействуют между собой, что приводит к дисперсионному расплыванию сигнала. При учете нелинейного эффекта перераспределения энергии между спектральными составляющими можно избежать дисперсионного расплывания сигнала, распространяющегося вдоль волокна. Данная технология представляется наиболее перспективной для передачи сигнала STM-256 (40 Гбит/с) на большие расстояния. Однако солитоновые технологии накладывают определенные требования на оптические кабели, что может повлечь необходимость их полной замены на существующих сетях.
Использование технологии DWDM оправдано для передачи больших объемов трафика. С увеличением числа оптических каналов, передаваемых по одному волокну, стоимость передачи единицы информации уменьшается. Так, стоимость передачи одного бита информации по полностью загруженной 160-канальной системе меньше соответствующего показателя для 40/32-канальной системы. Однако при неполной загрузке важно учитывать тот факт, что цена оборудования для 40/32-канальной системы заметно ниже цены 160-канальной системы.
Как уже говорилось, в диапазоне С можно использовать до 80 оптических каналов. Для того чтобы избежать потерь, связанных с нелинейным взаимодействием различных оптических каналов, а также соблюсти санитарные нормы, суммарная мощность сигналов в оптоволокне не должна превышать 100 мВт (или 20 дБм). Это ограничивает мощность на один оптический канал. Для 80-канальной системы мощность на один канал составляет 1 дБм, для 40-канальной системы – 4, для 32-канальной – 5 дБм. Таким образом, на каждом усилительном участке 32-канальная система имеет запас в 1 дБ по сравнению с 40-канальной и 4 дБ по сравнению с 80-канальной. Если же при проектировании DWDM-сети закладывать на перспективу возможность работы на 80-каналах, то длина усилительных и регенерационных участков резко уменьшиться, число узлов на сети вырастет и стоимость оборудования в пересчете на один оптический канал значительно увеличится. 80-канальная система DWDM экономически выгодна только при работе с большим числом задействованных оптических каналов.
Продукция каждой фирмы-производителя занимает свое определенное место. Во многом это определяется научно-техническим уровнем фирмы. Еще один фактор – уровень развития рынка, на который ориентируется та или иная компания. Так, использование солитоновых технологий для уплотнения сигналов STM-256 или 160/80-канальных систем DWDM может быть востребовано на развитых телекоммуникационных рынках.
В настоящее время многие российские операторы переходят на оборудование уровня STM-64 и рассматривают возможность использовать DWDM-технологии для построения магистральных и городских сетей. Современные городские транспортные сети должны поддерживать работу с неоднородным трафиком, в том числе с узкополосным трафиком на базе SDH-систем и широкополосным ATM- и Ethernet- трафиком. Технология DWDM позволяет объединить передачу разнородного трафика. Для этого каждому типу трафика выделяется свой оптический канал или своя длина волны. Можно утверждать, что технология DWDM становится экономически привлекательной при объеме трафика 40 Гбит/с и выше. Однако экономически эффективной она может быть и при объеме 10 Гбит/с. Чтобы лучше понять особенности построения DWDM-сетей в городских условиях рассмотрим основные функциональные узлы соответствующего оборудования.
Основные узлы DWDM-оборудования. В технологии DWDM полностью повторены принципы телевизионного или радиовещания. От передающей телевизионной антенны по воздуху распространяется несколько ТВ – программ, каждая – на своей частоте. При это электромагнитные волны с различными частотами не взаимодействуют между собой. ТВ-приемник посредством приемной антенны можно настроить на любой канал (на любую частоту). В случае с DWDM оптическое волокно выполняет роль воздуха – по нему распространяется не одна, а несколько не взаимодействующих между собой электромагнитных волн с разными частотами. На каждой частоте можно передавать любой трафик. Используются частоты, или длины волн, для которых затухание электромагнитных волн минимально, а именно уже упомянутые выше С- и L- диапазоны.
Технология DWDM предъявляет гораздо более жесткие требования к оптическим источникам излучения, нежели SDH. Чтобы соседи не влияли друг на друга, ширина спектра излучения должна быть значительно меньше ширины оптического канала, т.е. на уровне 0,2 – 0,3 нм. В системах SDH по оптическому кабелю передается только один сигнал на частоте 1310 или 1550 нм. Поэтому требования к стабильности частоты и ширине спектра излучения оптического источника сравнительно не высоки.
Для передачи по одному волокну нескольких сигналов STM в «формате» DWDM используется транспондер. На его вход подается сигнал STM (или ATM, IP), который необходимо преобразовать в «формат» DWDM, т.е. в сигнал со строго фиксированной длиной волны и узким спектром излучения. Оптический STM-сигнал преобразуется в электрическую форму, восстанавливается форма сигнала, и далее выполняется обратное электрическое преобразование в «формат» DWDM. Для восстановления формы сигналов используется 3R-преобразование: 1R (re-amplification) – усиление сигнала, 2R – 1R плюс восстановление формы сигналов (reshaping), 3R – 2R плюс ресинхронизация (re-timing). Для передачи сигнала на сравнительно небольшие расстояния, в пределах города или области, достаточно использовать транспондеры с функцией 2R.
Рисунок 1.8 – Принцип работы транспондера (OTU)
Можно выделить четыре основных узла оборудования DWDM (рис. 1.9):
- оптический терминальный мультиплексор (Optical Terminal Multiplexer – OTM);
- регенератор (Regenerator – REG);
- оптический усилитель (Optical Line Amplifier – OLA);
- оптический мультиплексор ввода-вывода (Optical Add Drop Multiplexer – OADM).
Рисунок 1.9 – Основные узлы оборудования DWDM
Основными узлами оптического терминального мультиплексора являются оптический мультиплексор (ОМ) и оптический демультиплексор (OD). В направлении передачи ОМ мультиплексирует сигналы с фиксированными длинами волн, сформированные на выходе транспондеров, в групповой сигнал, который и передается по оптическому кабелю. На приеме OD демультиплексирует групповой сигнал на сигналы с фиксированными длинами волн, которые подаются на транспондеры.
Оптический регенератор используется для восстановления формы группового сигнала, подавления джиттера и улучшения соотношения сигнал/шум. С этой целью используется преобразование О-Е-О (Optical-Electrical- Optical). Групповой сигнал на входе REG преобразуется в электрическую форму, проводится 3R-восстановление формы сигнала, и далее он опять преобразуется в оптическую форму. Регенератор строится на базе двух OTM-мультиплексоров, включенных по схеме back-to-back через транспондеры (см.рис.3). Такая конфигурация позволяет осуществить ввод-вывод всех оптических каналов.
Оптический усилитель соответственно усиливает групповой сигнал без восстановления его формы. При передаче информации на большие расстояния усилители оснащают функцией эквалайзера – выравнивая мощности оптических каналов. В городских условиях функция эквалайзера не используется, и это уменьшает стоимость усилителя. Оптический усилитель – наиболее дешевый узел оборудования DWDM (в сравнении с OTM-мультиплексором и регенератором).
Оптический мультиплексор ввода-вывода строится на базе оптического усилителя, в который добавляется пассивная оптическая плата, позволяющая осуществить ввод-вывод ограниченного числа оптических каналов с фиксированными длинами волн. Она представляет собой брегговскую решетку с периодическими изменениями индекса преломления, которые достигаются за счет насечек на оптоволоконном кабеле, сделанных с помощью ультрафиолетового излучения. OADM-мультиплексор на базе брегговских решеток позволяет осуществлять ввод-вывод от 1 до 12 оптических каналов. Для остальных каналов он работает как усилитель. Основное преимущество такого мультиплексора по сравнению с OTM-мультиплексором и регенератором – гораздо более низкая его цена.
Другая возможность уменьшения стоимости DWDM-оборудования – использование «цветных» интерфейсов. Как было сказано выше, к транспондеру с одной стороны подключается SDH-оборудование, с другой – оборудования DWDM (оптический мультиплексор/демультиплексор или пассивное оптическое устройство ввода-вывода на базе брегговских решеток). Но если в оборудовании SDH использовать SТМ-интерфейсы с фиксированной длиной волны и узким спектром излучения, то необходимость в транспондерах отпадает. Такие STM-интерфейсы и называются «цветными». Их использование, озн