Chris Champion, вице-президент по продажам в регионе EMEA, Infinera

Каждый год производится около 150 миллионов километров нового оптоволокна, а совокупная длина существующих с 1997 года оптоволовонных сетей во много раз превышает это количество. Сетевые операторы должны обеспечить максимальный возврат инвестиций в

развертывание оптоволоконных сетей, а также обеспечить готовность сетевого оборудования к требованиям будущего, учитывая колоссальный рост спроса на пропускную способность.

В опорных сетях уже достигнуты значительные успехи за счет миграции с 10 Гбит/с на оптические волны100 Гбит/с, обеспечивающие пропускную способность на уровне 8 Тбит/с и повышенную ёмкость на стандартной сетке частот ITU-T (МСЭ-Т) G.694.1 50 ГГц в С-диапазоне на частоте. Однако прогнозы относительно увеличения пропускной способности сети уже говорят, что емкости даже на уровне 8 Тбит/с на волокно вскоре будет уже недостаточно. Более того, эксплуатационные затраты на развёртывание такой большой ёмкости с шагом в 100G могут быть высокими. Операторы сети должны быть готовы к невиданному ранее росту требований к ёмкости и соответственному повышению эксплуатационной эффективности, чтобы обеспечить своевременное удовлетворение потребности со стороны клиентов наиболее гибким и экономически эффективным способом.

В данной статье объясняется, каким образом оптические сети нового поколения могут заменить существующую жесткую структуру каналов гибкой сетью оптических суперканалов с переменной шириной полосы пропускания. Внедрив суперканалы терабитного уровня, операторы смогут удовлетворить соответствующие требования к типу модуляции и дальности передачи, благодаря программной коммутации оптических каналов.

Эффективное использование полосы пропускания

Чтобы наиболее эффективно использовать спектральную емкость волокна и при этом снизить капитальные затраты, в большинстве городских сетей связи и оптических сетей дальней связи применяется технология мультиплексирование по длине волны повышенной плотности (DWDM) для передачи нескольких волн по одному волокну. МСЭ стандартизировал фиксированный план каналов (DWDM) со встроенными резервными полосами частот между всеми оптическими каналами для мультиплексирования и демультиплексирования и дальнейшей маршрутизации отдельных волн, а также для фильтрации волн в конечной точке. Эти резервные полосы частот занимают до 25% спектра, что означает некоторую потерю ёмкости.

Отрасль сейчас активно мигрирует на архитектуры, базирующиеся на оптических суперканалах, которые гораздо шире, чем традиционные каналы сети МСЭ-Т (ITU-T), но не имеют внутренних резервных полос между каналами.

Рис.1. Защитные полосы DWDM и требования к спектру

На Рис.1 показано различие: слева – волны 12 х 100G с использованием стандартной сетки с резервными полосами, выделенными красным цветом. Таким образом, 1,2 Тбит/с пропускной способности, требуемой для передачи, занимает 600 ГГц оптического спектра. Справа – суперканал эквивалентой емкости с множеством несущих частот, также с волнами 12 х 100G. Поскольку суперканал коммутируется или мультиплексируется/демультиплексируется целиком, никаких внутренних резервных полос не нужно, кроме тех, что находятся у нижней и верхней границы суперканала (обозначены красным цветом). Так что для получения такой же емкости (1,2 Тбит/с) требуется всего 462,5 ГГц, т.е. происходит сокращение необходимого оптического спектра на 23% (таким же образом вы, например, экономите свои средства, покупая одну экономичную упаковку товара вместо двенадцати отдельных упаковок). С точки зрения оптического канала, сэкономленная часть спектра - это разница между двенадцатью дискретными каналами 50 ГГц и одним суперканалом 462,5 ГГц.

Выше описан всего один пример, так как суперканалы могут быть внедрены множеством других способов, обеспечивая емкость до 24 Тбит/с на волокно. На Рис.2 показаны альтернативные способы реализации суперканала.

Рис.2. Варианты внедрения суперканала

Одноволновый суперканал слева наиболее прост во внедрении и требует наименьшее количество компонентов, но для поддержки 385 Гбод ему необходим ультрабыстрая микросхема, которая не будет доступан, вероятно, еще лет 8 или около того. Одноволновый суперканал также

не отличается гибкостью при распределении или маршрутизации полосы пропускания с меньшей степенью гранулярности, так как состоит из одной неделимой волны.

Двухволновый суперканал на рисунке в центре чуть посложнее: требуемое количество компонентов всего в два раза больше, но ему опять-таки требуется электроника на 192 Гбод, появление которой не ожидается в последующие 5 лет. Он также накладывает некоторые ограничения, но позволяет сконфигурировать и обработать две волны с выбором одного интегрированного канала или двух отдельных каналов.

12-волновый суперканал, состоящий из двенадцати волн по 100G и показанный справа, действительно требует в двенадцать раз больше компонентов по сравнению с одноволновым вариантом, но при этом работает на скоростях, которые осуществимы при использовании современных кремниевых полупроводников. Он также обеспечивает более высокую степень гибкости, поскольку отдельные волны могут комбинироваться при любой перестановке групп каналов, а различные форматы модуляции можно применять к каждой дискретной волне, чтобы ещё больше снизить капитальные затраты.

Большинство сетевых операторов, скорее всего, смирились бы с подобным повышением сложности архитектуры , чтобы добиться повышения емкости сети сейчас, нежели стали бы ждать несколько лет в надежде на появление более простого решения. Однако, оптическая интеграция делает возможным внедрение всех необходимых компонентов для реализации суперканала терабитного масштаба на базе множества несущих частот на паре оптических интегральных схем (Photonic Integrated Circuits, PIC), выполняющих, соответственно, функцию передачи и приема.

Оптические ИС третьего поколения, поддерживающие суперканалы 5 х 100G, совместимые с сеткой частот МСЭ-Т, используются в отрасли уже больше 2 лет. Они реализуют свыше 600 оптических функций на паре чипов, которые способны заменить свыше 100 дискретных оптических компонентов и более 250 оптоволоконных соединений, причем обеспечивая значительное увеличение плотности, снижение потребление электроэнергии, а также улучшение показателей тепловыделения и отказоустойчивости. Таким образом, оптические ИС (PIC) уже способны сократить количество компонентов до показателей, характерных в случае применения одноволновых решений, и предлагают наиболее практичным подход к масштабированию оптоволоконных сетей с учетом требований будущего.

Оптимальный баланс между дальностью передачи и спектральной эффективностью

Форматы модуляции более высокого порядка эффективней используют спектр, но в большей степени подвержены искажениям и помехам и не могут гарантировать высокой степени надежности при передаче сигнала на большие расстояния. Например, квадратурно-амплитудная модуляция типа 16QAM c кодировкой 4 бит на символ спектрально в два раза эффективней квадратурной фазовой манипуляции (QPSK) с кодировкой 2 бит на символ, но дальность передачи в этом случае составляет примерно четверть от возможностей QPSK.

Возможность поволновой модуляции позволила бы оптимизировать каждый канал по соотношению дальности передачи и спектральной эффективности и таким образом обеспечить большую экономию на издержках, но для этого потребовалась бы гибкая сетка частот для поддержки каналов с изменяемой полосой пропускания. Последняя спецификация G.694.1 МСЭ-Т относительно WDM-каналов (мультиплексирование со спектральным разделением каналов) определила гибкую сетку частот, имеющую гранулярность 12,5 ГГц, вместо большей ширины 50 ГГц в стандартной сетке. Гибкая сетка позволяет провайдеру определять ширину агрегатного суперканала с шагом в 12,5 ГГц для поддержки любой комбинации оптических несущих, форматов модуляции и скоростей передачи данных, чтобы найти оптимальный баланс между спектральной эффективностью и дальностью передачи оптических сигналов.

Кроме этого, гибкая сетка частот делает возможным распределение интервалов между несущими и модифицировать форматы модуляции для удовлетворения меняющихся потребностей Это позволяет эффективно использовать ресурсы в ответ на колеба