Подводные волоконно-оптические системы связи

В настоящее время обмен информацией между континентами осуществляется главным образом через подводные волоконно-оптические кабели, а не через спутниковую связь. Интернет - главная движущая сила развития подводных волоконно-оптических линий связи, при этом его потребности в подобных системах со все большими скоростями передачи информации пока не удовлетворены [13].

Наконец, в 1988 и 1989 гг. были установлены первые трансатлантическая и транстихоокеанская волоконно-оптические системы со скоростью передачи информации по паре световодов 280 Мбит/с, при этом в качестве ретрансляторов использовались электронные усилители. Постепенно скорость увеличилась до 2.5 Гбит/с, а вместо электронных ретрансляторов стали применяться эрбиевые волоконные усилители. В 90-е годы проложено более 350 тыс. км волоконно-оптического кабеля, он связывает более 70 стран мира.

Рис. 4. Спектр оптических потерь волоконного световода

Цифрами 1-5 обозначены так называемые "окна прозрачности", в которых осуществлялась оптическая связь по мере ее развития (1-3), а также спектральные области, которые будут использоваться для передачи информации в недалеком будущем (4,5). Практически все современные системы связи работают на волнах около 1.3 и 1.55 мкм, во 2-м и 3-м окнах прозрачности. Экспериментальные системы со спектральным уплотнением каналов используют в настоящее время спектральную область 1530-1610 нм (шириной около 80 нм). Пунктиром показано поглощение, обусловленное гидроксильными группами в стекле. Успехи в технологии волоконных световодов позволили убрать полосу такого поглощения, в результате спектральная область с оптическими потерями < 0.3 дБ/км составляет примерно 500 нм (1200-1700 нм). Использование всей этой области для передачи информации позволит резко увеличить информационную емкость волоконно-оптических систем со спектральным уплотнением каналов. Имея уже достигнутые величины 0.2 нм и 160 Гбит/с для разности длин волн соседних каналов и скорости передачи информации индивидуального канала, получаем число уплотненных каналов 2500 и суммарную скорость передачи информации 400 Тбит/с, или 0.4 петабит/с.

Поскольку оптические усилители являются широкополосными устройствами и способны усиливать групповой оптический сигнал, именно они обеспечили практический успех технологии спектрального уплотнения.

Отличительной характеристикой OTN является ее способность транспортировать любой цифровой сигнал независимо от специфики клиента. Это обеспечивается тем, что граница OTN располагается между уровнем клиента и оптическим каналом (рис. 1) таким образом, чтобы включить сервер-специфические процессы и исключить клиентские. В контексте структуры протокола такое разделение достигается за счет завертывания (wrapping) данных клиента в цифровой конверт из служебной (overhead – OH) информации. Поэтому стандарт ITU-T G.709, описывающий технологию OTN, часто называют Digital Wrapper (DW).

Как видно из рис. 1, транспортный уровень OTN разделяется на три составляющие. Его элементами являются оптические каналы (Optical Channel – OCh), секции оптического мультиплексирования (Optical Multiplexing Section layer – OMS) и секции оптической передачи (Optical Transmission Section layer – OTS). На каждом из уровней соединения между двумя конечными точками, называемые дорожками (trail), содержат данные о вышележащем уровне, а также служебную информацию, необходимую для завершения дорожки и локализации ошибок.

В OTN, как и в SONET, определена иерархия сети, называемая иерархией оптической передачи (Optical Transport Hierarchy – OTH). Точно так же как SONET строится на инкрементах STS-1 (Synchronous Transport Signals), которые могут объединяться для создания соединений с большой пропускной способностью, OTN строится на базовых единицах, называющихся модулями оптической передачи (Optical Transport Module – OTM). Однако между ними есть и существенное отличие – OTN может объединять множество волновых каналов, каждый из которых способен работать с разной скоростью. Сегодня OTN, как правило, предоставляет две скорости передачи данных. Один интерфейс имеет пропускную способность 2,7 Gbps, что позволяет прозрачно передавать сигнал SONET OC-48 или сигнал SDH/STM-16. Второй поддерживает 10,7 Gbps, что, в свою очередь, обеспечивает прозрачную передачу сигналов OC-192/STM-64 или WAN-интерфейс 10 Gbps. Он может быть модифицирован таким образом, чтобы передавать также трафик LAN 10 Gbps, поступающий от коммутаторов и маршрутизаторов IP/Ethernet.

Рис. 2. Базовая транспортная структура OTN

Рассмотрим несколько подробнее, как выполняется процедура инкапсуляции клиентских данных (рис. 2). На первом этапе к ним добавляется некая порция служебной информации (OH), которая формирует Optical channel Payload Unit (OPU). Этот блок используется для поддержки различных клиентских сигналов. Он регулирует отображение (преобразование) множества клиентских сигналов и обеспечивает информацию о типе транспортируемого сигнала. Стандарт ITU-T G.709 на данный момент поддерживает как асинхронное, так и синхронное отображение клиентских сигналов на секцию полезной нагрузки.

Далее путем добавления к OPU второго набора OH образуется Optical channel Data Unit (ODU). Он позволяет пользователю осуществлять мониторинг парного соединения (Tandem Connection Monitoring – TCM), мониторинг пути (Path Monitoring – PM) и ряд других функций.

Наконец, к ODU добавляются третий набор служебных данных и информация для прямого исправления ошибок (без требования повторной передачи) FEC (Forward Error Correction), в результате чего получается Optical channel Transport Unit (OTU). Этот блок используется для поддержки транспортировки через один или более оптических каналов. Он также содержит в качестве своей части секцию выравнивания кадра FAS (Frame Alignment Section), информация из которой применяется в интересах функционирования сети.

Дальнейшее добавление OH создает OCh для световой волны длиной λ (один цвет). При использовании технологии WDM можно с помощью добавления необходимой OH организовать OMS для мультиплексирования потоков данных на нескольких цветах. В результате всех модификаций получается OTS (см. также рис. 1).

Рис. 3. Структура OCh

Рис. 4. Общая схема функционирования OTN

На рис. 3 представлена структура OCh, состоящая из секции служебной информации, клиентских данных и FEC. В действительности области OPU, ODU и OUT имеют довольно сложную структуру, на которой мы не будем подробно останавливаться. Вместо этого приведем рис. 4, который иллюстрирует общую схему функционирования OTN.

Итак, подводя краткие итоги, можно утверждать, что оптическая транспортная сеть предназначена для обеспечения не только высоких скоростей передачи данных, но и гибкого и надежного администрирования. OTN позволяет управлять DWDM-сетями, применяющими для передачи несколько длин волн, столь же эффективно, как это выполняется в сетях SONET/SDH для одной длины волны. Кроме того, к числу основных преимуществ OTN можно отнести полную обратную совместимость с SONET/SDH и прозрачность для существующих коммуникационных протоколов, а реализация механизма FEC позволяет сетевым операторам использовать имеющиеся сети более эффективно.

====================================

Что такое спектральное уплотнение каналов