7. ПЕРСПЕКТИВЫ ОПТИКОВИЗАЦИИ СЕТЕЙ ДОСТУПА

Перспективы оптиковизации сетей доступа

В настоящее время на ГЮС рекомендуется использовать рабочий диапазон длин волн в области 1310 им в пределах 1260 - 1380 нм (второе окно прозрачности) и в области 1550 нм в пределах 1480 - 1580 нм (третье окно прозрачности).

Однако, постоянное совершенствование ОВ вносит в перспективу оптиковизации сетей доступа коррективы. Во-первых, постоянное уменьшение цены стандартных одномодовых ОВ (за последние 5-7 лет с 50 до 15$ за км) заметно приближает эту перспективу. Например, в Японии планируется к концу 2005 года обеспечить за счет ввода ОВ в дома (ВвД) предоставление услуг населению в объеме 10 Мбит/с для 30 млн. домов и объеме 100 Мбит/с для 10 млн. домов.

Во-вторых, появление новых ОВ типа «all wave» (например, SMF-28e фирмы Coming) существенно расширит рабочий диапазон длин волн в пределах от 1260 до 1625 нм, позволяя применять технологию неплотного спектрального разделения по длинам волн (CWDM) с реализацией на дешевых компонентах ВОСП. При этом резко увеличиваются возможности по пропускной способности ОСД и по другим, сетевым возможностям ВОСП-СР.

Благодаря использованию CWDM существенно снижается стоимость услуг, предоставляемых ОСД своим клиентам. В последние два года наблюдается устойчивая тенденция интеграции технологий CWDM и плотного спектрального разделения (DWDM) в оптических сетях доступа. В результате такой интеграции появляется возможность в одном (или нескольких) оптическом канале CWDM размещать оптические каналы DWDM для увеличения пропускной способности выделенных участков ОСД.

На аппаратурном уровне в оборудовании ОСД последнего поколения используются полупроводниковые оптические усилители, лазеры с вертикальным резонатором (VCSEL) и оптические коммутаторы на основе технологии микроэлектромеханики (MEM).

Основное преимущество использования оптических полупровод­никовых усилителей состоит в том, что они выполняются из тех же полупроводниковых структур, что и полупроводниковые лазеры и фотодиоды, т.е. имеют также малые размеры активного элемента (кристалла) и могут быть интегрированы на одной подложке с другими элементами. Стоимость такого усилителя в десятки раз ниже стоимости волоконно-оптических усилителей.

У лазера с вертикальным резонатором (VCSEL - vertical cavity surface emitting lasers), выходное излучение имеет круговое сечение,
вследствие чего для согласования такого лазера с волокном не требуется применения какого-либо оптического согласующего устройства, благодаря чему значительно снижается стоимость лазера и передающего оптического модуля.

Одной из важных технических проблем управления и оптимальной реконфигурации архитектуры ОСД является интеллектуализация выполнения этих операций. Для реализации решений этих проблем для ОСД с использованием технологий CWDM и DWDM разработаны многопротокольные волновые коммутаторы меток MPA.S и GMPA.S, а также оптические кросс-коммутаторы на базе технологий микроэлектромеханики MEM.

Многоканальные ВОСП-СР в перспективе могут реализовываться и на современных многомодовых ОВ, если потребуется уплотнять большое число каналов с относительно невысокой скоростью передачи в каждом канале. В этом случае используется преимущество многомодовых ОВ по сравнению с одномодовыми, связанное с более высоким порогом возникновения влияния нелинейных оптических эффектов.

Кроме того, в перспективе ожидается внедрение на ОСД пластиковых ОВ, имеющих еще пока достаточно большое затухание, но значительно меньшую стоимость, чем у ОВ на основе кварцевого стекла.

Грубое спектральное разделение (Coarse Wavelength Division Multiplexing, CWDM) характеризуется тем, что расстояние между соседними каналами равно 20 нм (в некоторых случаях 25 нм). Это в десятки раз больше, чем расстояние между каналами при плотном спектральном разделении (DWDM). В отличие от других типов технологий WDM технология CWDM использует существенно более широкую полосу частот, которая может включать несколько стандартных для оптических систем связи диапазонов частот («окон прозрачности»). В CWDM-системах могут одновременно работать до 18 каналов и использоваться как многомодовые, так и одномодовые волокна. По сравнению с DWDM-системами в CWDM-системах длина волоконных линий и затраты на построение сети, как правило, в несколько раз меньше. В последнее время технология грубого спектрального разделения CWDM получает все большее распространение, особенно в сетях городского и регионального масштаб! Наиболее крупные провайдеры телекоммуникационных услуг в городах осуществляют модернизацию сети и в дополнение к давно используемым системам СЦИ/АТМ/ГР/FR начинают использовать системы CWDM. Именно системы CWDM могут решить проблемы нехватки пропускной способности при увеличении экономической эффективности использования сети и минимизации капитальных затрат на 'ее построение. Городские и региональные сети представляют собой
CWDM-системы характеризуются общими для систем спектрального разделения преимуществами. К ним относятся возможность независимой передачи по одному волокну данных различного типа, скоростей и форматов, а также возможность дуплексной передачи информации по одному волокну. Если же сравнивать технологии CWDM и DWDM, то одними из важнейших являются преимущества устройств CWDM по габаритам и энергопотреблению. Серийный 8-канальный CWDM мультиплексор, рассчитанный для установки в стандартную 19" стойку, имеет размеры (ширина глубина высота) 482 мм 200 мм 44 мм, при этом в нем заключены все необходимые устройства электропитания и охлаждения. Серийный 32- канальный DWDM мультиплексор имеет габариты (ширина глубина высота) 482 мм 300 мм 400 мм, при этом могут потребоваться отдельные блоки электропитания и вентиляторов. Зачастую мультиплексоры DWDM представляют собой большие шкафы, требующие отдельного помещения с соответствующими условиями окружающей среды. CWDM-мультиплексор потребляет 30-50 ВА, DWDM-мультиплексор - 300-500 В А. На рисунке 7.2 схематически представлены сравнительные размеры оборудования CWDM и DWDM.

Рисунок 7.2 Сравнение габаритов устройств CWDM и DWDM

Проблема уменьшения габаритов устройства становится особенно актуальной, когда для его установки арендуется помещение. Для монтажа мультиплексора CWDM потребуется только одно место минимального стандартного размера в стойке (конструкция европейского стандарта (ETSI)) в стойке, а для DWDM-мультиплексора целая стойка. При эксплуатации DWDM-оборудования необходимо обеспечить постоянную рабочую температуру окружающей W что приводит    к   весомым    затратам    на   электроэнергию,    ремонт    и обслуживание кондиционеров. Для обеспечения гарантированного питания эксплуатируемого оборудования требуется установка источников бесперебойного электропитания, размеры и стоимость которых напрямую зависят от потребляемой устройствами электрической мощности. В таблице 7.2 приведены основные показатели эксплуатационных расходов, обусловленные различиями систем DWDM и CWDM по габаритам и электропотреблению.

Обобщая преимущества технологии грубого спектрального разделения по сравнению с DWDM-технологией, можно выделить следующие:

Таблица 7.2
Основные показатели эксплуатационных расходов систем DWDM и CWDM

Главным недостатком является сравнительно небольшое допустимое расстояние между узлами. Использование оптических усилителей для увеличения дальности передачи приводит к удорожанию сети, тем более что перекрыть одним оптическим усилителем всю полосу CWDM-системы невозможно, а использование усилителей на отдельные диапазоны приведет к еще большим затратам. Относительно малое число каналов не является весомым недостатком, так как емкость возможных 16-18 оптических каналов, как правило, намного превышает современные потребности операторов связи в полосе пропускания, и такая ситуация сохранится в течение ближайших лет.

В заключение рассмотрим перспективы дальнейшего развития технологии CWDM. Одним из основных требований операторов связи является повышение гибкости сети, получение возможности динамически изменять ее конфигурацию путем вставки/выделения оптических каналов на промежуточных узлах. Для этого необходимо создание оптических мультиплексоров ввода/вывода, причем желательно, чтобы все этапы коммутации осуществлялись на оптическом уровне без преобразования оптического сигнала в электрический и обратно.

По сравнению с системами DWDM, в системах CWDM использование большого шага между несущими позволяет создавать сравнительно дешевые коммутационные элементы для оптических мультиплексоров ввода/вывода (OADM, optical add-drop multiplexer) и оптических кросскоммутаторов (OXC, optical cross connector).

Наряду с увеличением гибкости сети важным показателем сети является способность к масштабированию, т.е. к увеличению емкости сети во время ее эксплуатации. В этом случае наилучшие возможности по наращиванию числа каналов, не прибегая к замене всего оборудования и переходу на другую схему мультиплексирования, обеспечивают гибридные системы. Теоретически в спектральной полосе, приходящейся на один канал CWDM, можно разместить до 15 каналов DWDM с расстоянием между несущими 0,8 нм, что позволяет увеличить емкость 8-канальной CWDM-системы до 120 каналов. Практически реализованы системы, позволяющие заполнять один CWDM-канал восемью каналами DWDM, увеличивая емкость 8-канальной системы до 64 каналов. На рисунке 7.3 проиллюстрирован принцип комбинирования CWDM- и DWDM-систем.

Подводя итог вышесказанному, можно сделать вывод о большой перспективности применения систем с грубым спектральным уплотнением на сетях доступа. Технология CWDM способна предложить современные, надежные, а главное, дешевые решения пробмемы нехватки рабочей полосы пропускания при сохранении и даже увеличении гибкости и масштабируемости сетей доступа городского и регионального масштаба.

Рисунок 7.3. Комбинирование оптических несущих CWDM и DWDM

В настоящее время во всем мире наблюдается последовательная фогонизация волоконно-оптических средств связи, охватывающая как транспортную сеть, так и сети доступа.

Сущность фотонизации заключается в том, что на физическом уровне во всех звеньях цепи передачи исключается преобразование типа фотон-электрон и электрон-фотон. Это дает возможность на несколько порядков увеличить скорость передачи сигнала, значительно увеличить протяженность участка линии передачи между соседними промежуточными пунктами благодаря уменьшению шумов за счет тепловой компоненты, а также существенно повысить технико-экономические показатели оборудования и его надежность в результате исключения электронно-оптических преобразователей.

Реализация преимуществ фотонизации приводит к изменению сетевых структур, в частности, принципов коммутации и маршрутизации сигналов.

Для реализации транспортной системы, которая выполняет функции кросс - конвекции (кроссовых соединений, оперативного переключения) и мультиплексирования ввода-вывода, предлагается много технологий. Особый интерес представляет собой сеть, в которой применяется маршрутизация по длине волны, многократное использование длин воля, пакетное переключение с многократными пересылками сигнала. В этом случае оптический транспортный узел может состоять из оптического кросс-коннектора и оптического мультиплексора ввода/вывода. Каждая станция доступа преобразует сигналы, полученные от пользователей, в соответствующий оптический формат и передает эти сигналы на транспортный узел.

На рисунке 7.4 показан возможный вариант построения фотонной сети. Сеть состоит из оптических транспортных узлов и узлов доступа, имеющих порты для связи пользователей с сетью. Оптический транспортный узел выполняет функции образования и распределения оптических трактов между произвольными узлами доступа. Транспортные узлы соединены оптическими линиями передачи с оптическими усилителями. Например, оптический тракт "точка-к-точке", такой как 1-6 или 4-7, и распределительный тракт, такой как 2-3-5-8, может быть реализован без оптоэлектронного преобразования. Конфигурация сети должна динамично изменяться, чтобы удовлетворять требованиям трафика.

Повышенный интерес к фотонным сетям обусловлен следующими причинами.

Таким образом, фотонные сети позволяют создать гибкие сети с ультравысокой пропускной способностью, имеющие возможность модульно расширяться до очень больших конфигураций, как в плане технических средств, гак и программного обеспечения. Кроме того, они очень высоконадежны и просты в отношении контроля, управления и технического обслуживания, т.к. часть пропускной способности этих сетей без всякого ущерба для передаваемого трафика может быть использована для системы контроля и управления.

На рисунке 7.5 приведена в качестве примера схема элементарного соединения, не содержащего во всей цепи передачи ни одного оптоэлектронного преобразователя.

ЛОМ - акусто оптический модулятор
ОАД - оптикоакустический детектор
ОП - оптический переключатель с управлением оптическим сигналом
ОВ - оптическое волокно
ОУ- оптический усилитель

Рисунок 7.5

Следовательно, при разработке стратегии развития государственных и частных сетей доступа необходимо иметь ввиду стремительную фотонизацию всех элементов связи и исходить из соображений преемственности этапов внедрения.