eng
TS_pub
technospheramag
technospheramag
ТЕХНОСФЕРА_РИЦ
Выпуск #6/2016
С.Коган
Суперкогерентные решения для терабитных оптических транспортных сетей
Суперкогерентные решения для терабитных оптических транспортных сетей
Просмотры: 3552
Рассматривается роль передовых форматов модуляции в контексте
решения задач по повышению эффективности существующих
и перспективных оптических транспортных сетей.
решения задач по повышению эффективности существующих
и перспективных оптических транспортных сетей.
Теги: coherent reception dwdm optical transmission systems когерентный прием оптические системы передачи
Введение
Крупные телекоммуникационные операторы и провайдеры услуг связи владеют тысячами километров наземных и подводных кабельных линий связи. Потребности в пропускной способности таких сетей связаны не только с нарастающими объемами трафика широкополосных услуг мобильной связи, IP-видео, Интернета вещей, быстрым развитием облачных IT-услуг, но и с широким распространением корпоративных облачных технологий и видеоприложений для частных пользователей. Наблюдается устойчивый рост количества центров обработки данных (ЦОДов) и узлов обмена интернет-трафиком, что существенно повышает требования к пропускной способности и производительности узлов оптических транспортных сетей, обеспечивающих их взаимодействие между собой.
По данным аналитиков OVUM и научно-исследовательского центра Nokia Bell Labs, ожидаемый в ближайшие годы рост объемов трафика будет происходить следующими темпами:
для операторов связи и кабельного ТВ – до 20–60% в год, что определяется в основном запросами пользователей;
для провайдеров интернет-услуг – до 80–100% в год, причем главным драйвером такого значительного роста станут сервисы M2M.
Поставщики услуг связи, в том числе и традиционных, представляют собой самую большую группу, заинтересованную в придании своим сетям большей гибкости, масштабируемости, надежности и интеллектуальности. Начавшийся переход к широкому использованию терабитных когерентных многоканальных волоконно-оптических систем связи обусловлен стремлением операторов обеспечить:
увеличение пропускной способности транспортной инфраструктуры OTN/DWDM с тем, чтобы поддержать сервисы 100GE, а в будущем – и 400GE;
упрощение операций по обслуживанию сети и предоставлению услуг частным и корпоративным пользователям за счет использования общего аппаратного обеспечения и системы управления для METRO-/региональных и магистральных наземных и подводных сетей;
снижение затрат за счет повышения эффективности при предоставлении услуг сквозь пакетные, OTN- и WDM-транспортные уровни коммутации и агрегации трафика;
эволюцию к программно-определяемым сетям операторского класса, управляемым сетевыми и сервисными приложениями (WAN SDN).
Эволюция к гибким и масштабируемым оптическим транспортным сетям
Потребность в максимально эффективном использовании ресурсов волоконно-оптической кабельной инфраструктуры при снижении затрат на передачу каждого бита данных стимулировало работы по переходу к эластичным, гибким когерентным оптическим сетям, известным из различных публикаций как Elastic Optical Networks (EON) или Agile Optical Networks (AON).
Оптическое транспортное DWDM-оборудование, используемое на существующих сетях крупных телекоммуникационных операторов, включает, как правило, многосвязные (работающие на несколько направлений) оптические реконфигурируемые мультиплексоры ввода / вывода (ROADM), OTN- и SDH-кросс-коммутаторы, встроенные средства коммутации и агрегации пакетного трафика, соответствующие требованиям MEF 2.0, оптические усилители, компенсаторы хроматической дисперсии и др. Исследования ученых Nokia Bell Labs показали, что для эволюции к эластичным когерентным оптическим транспортным сетям потребуется дополнительно внедрить как минимум три функциональности:
гибкое управление пропускной способностью оптических каналов (длин волн);
адаптацию спектра передаваемого сигнала с тем, чтобы достичь наивысшей спектральной эффективности и наилучшим образом использовать полосу окна прозрачности оптического волокна (ОВ) и оптических усилителей группового сигнала;
выбор формата модуляции, метода кодирования и параметров сетки частот (длин волн) оптических каналов в зависимости от требуемой пропускной способности и дальности связи.
В результате эволюции оптический транспортный уровень сети должен соответствовать следующим требованиям:
производительность узлов и пропускная способность линий должны масштабироваться с требуемой гранулярностью;
когерентные оптические каналы (длины волн) различной пропускной способности должны активизироваться и маршрутизироваться по мере возникновения потребности в них у оператора;
выбор сетки частот и формата модуляции когерентных оптических каналов должен основываться на принципе достижения наивысшей спектральной эффективности для требуемой дальности связи;
новое поколение ROADM, которое иногда называют волновыми маршрутизаторами, должно обеспечить исполнение разных конфигураций, включая CDC-F (Colorless, Directionless, Contentionless – Flexgrid);
возможность использования C- и L-диапазонов длин волн (C-Band и L-Band) для передачи данных по ОВ;
цифровые сигнальные процессоры (ЦСП) должны быть выполнены на наборах высокопроизводительных, экономичных по энергопотреблению СБИС, реализующих передовые адаптивные алгоритмы обработки сигналов на передающей и приемной сторонах системы;
матрицы OTN-кросс-коммутации и пакетной агрегации трафика должны быть также реализованы на наборах высокопроизводительных и мало потребляющих энергию СБИС;
оптический транспортный уровень должен развиваться в направлении полноценного взаимодействия с сервисным IP-уровнем в рамках развития сетевой сервисной платформы, реализующей технологии WAN SDN.
Услуги и каналы 100G: активный этап внедрения на всех уровнях сети
За последние несколько лет когерентные DWDM-решения 100G стали ключевой технологической инновацией и движущей силой масштабирования оптических транспортных сетей, хотя сегодня большинство клиентов все еще подсоединены к транспортным оптическим сетям по интерфейсам с пропускной способностью не выше 10 Гбит/с. Практический интерес к когерентным методам приема в оптической связи вызван технологическими достижениями последних 5–10 лет, благодаря которым стало возможно реализовать:
на приемной стороне системы – местный источник нормированного излучения (местный лазер – local oscillator), не требующий использования сложных схем привязки к фазе / частоте принятого по линии оптического сигнала;
спектрально эффективные многоразмерные форматы модуляции высокого порядка (High Order Modulation, HOM), сверхбыстродействующие экономичные ЦСП, обеспечивающие на уровне электрического сигнала разделение обеих поляризаций, компенсацию дисперсионных искажений, выравнивание уровней сигналов, подавление кросс-поляризационных искажений, обнаружение и исправление ошибок в принятом по линии сигнале и т.п.
Внедрение когерентных оптических приемников позволило перейти к оптическим каналам с пропускной способностью 100, 200 Гбит/с и выше с применением HOM, например, четырехразмерных форматов, использующих такие параметры оптического сигнала, как фаза, амплитуда, поляризация и время, и обеспечивающих достижение высокой спектральной эффективности при значительно большей, по сравнению с имеющимися решениями, дальности передачи.
Дальнейшее развитие коммерческих сетей с использованием когерентных технологий во многих случаях связано с внедрением в сервисных маршрутизаторах портов 100GE и потребностью в их соединении каналами 100G для передачи больших объемов трафика, в том числе для обеспечения взаимодействия между ЦОД. Следует отметить, что даже в сетях доступа, где большинство синхронных ЦОД-приложений требует пропускной способности не более 10G, наблюдается тенденция к внедрению соединений 100G в связи с развитием ряда специализированных приложений, таких как высокопроизводительные компьютерные кластеры (High Performance Computing, HPC), комплексы вычислительных средств, необходимые для оперативного проведения транзакций на финансовых рынках (Algorithmic Trading) и т.п. (рис.1).
По результатам исследований эксперты Nokia Bell Labs в конце 2013 года спрогнозировали опережающий, по сравнению с ядром (CORE) и магистралью, рост трафика на METRO- / региональных сетях: к 2017 году он возрастет на 560%.
Эволюция к 100G
на уровне ядра и магистрали
В современном маршрутизаторе доминируют порты 100G, которые определяют требования к пропускной способности нижележащей транспортной сети. Интерфейсы 10G более не рассматриваются как эффективное решение для маршрутизаторов уровня ядра сети, в частности, по тем причинам, что:
производительность слота современного маршрутизатора, как правило, превышает производительность, которая может быть реализована при использовании в блоках интерфейсов 10G;
конфигурация Nx10G LAG сама по себе менее эффективна по сравнению с использованием интерфейса 100G.
В 2015 году провайдеры услуг затратили порядка 2,8 млрд. долл. США на маршрутизаторы IP/MPLS для ядра сети с интерфейсами 100GE. Прогнозируется дальнейший рост данного сектора рынка до 3,6 млрд. долл. к 2020 году.
Эволюция к 100G на уровне METRO- / региональных сетей
Транспортное оборудование для таких сетей должно поддерживать множество приложений, включая агрегацию и ретрансляцию трафика между базовыми станциями и ядром сети оператора мобильной связи (мобильный бэкхол), мультисервисную агрегацию и ретрансляцию разнообразного трафика, предоставление услуг частным и корпоративным пользователям и т.п. Для обеспечения взаимодействия по схеме "каждый с каждым" (mesh) между портами сервисных маршрутизаторов потребуется реализовать тысячи линейных соединений 100G.
Важным критерием эффективности подобных решений станет степень снижения энергопотребления и габаритов транспортного оборудования.
Ожидается, что в 2018 году на оптических транспортных сетях количество каналов 100G превысит число каналов 10G (рис.2).
Возможности дальнейшего повышения пропускной способности и дальности связи для когерентных оптических сетей
Исследования показали, что высокая пропускная способность оптических каналов и системы в целом может быть достигнута на небольших расстояниях, в то время как большая дальность передачи приводит к снижению пропускной способности. Существуют две возможности увеличить пропускную способность системы при использовании одного и того же ОВ. Одна из них – увеличить количество бит на передаваемый символ с использованием формата модуляции более высокого порядка, например, путем перехода от BPSK к QPSK, 8QAM, 16QAM, 64QAM. Каждая из таких успешных операций повышает количество бит, которые могут быть переданы одновременно одним символом и тем самым увеличивают пропускную способность.
Другая возможность увеличения пропускной способности – повышение скорости передачи и приема символов в единицу времени, определяемых в значениях Бод. Типичные символьные скорости для 100G варьируются от 28 до 32 ГБод. Возрастание символьной скорости (Бод) позволяет передать больше информации за тот же временной интервал, однако, как правило, приводит к расширению спектра оптического канала и к необходимости перехода к гибкой сетке частот (FlexGrid).
Каждая из этих возможностей связана с необходимостью выбора окончательного решения. Рост пропускной способности с использованием HOM сопровождается, как правило, уменьшением дальности связи, поскольку последняя связана со значением отношения сигнал / шум (OSNR) на приемной стороне и зависит от способности оборудования различать принимаемые символы по их интенсивности и фазе на фоне шумов.
Следует учитывать, что при более высокой символьной скорости линейного сигнала каждый компонент оптической линии, и особенно цифровой сигнальный процессор, должен работать с более высокой скоростью, что уже сегодня требует использования компонент с полосой частот до 40 ГГц и символьной скоростью сигналов до 64 ГБод.
Эволюция от 100G к 200G и выше: выбор форматов модуляции для сетей разного назначения
В середине 2010 года был создан первый в мире когерентный линейный интерфейс 100G: компания Alcatel-Lucent* анонсировала СБИС когерентного цифрового сигнального процессора Photonic Service Engine (PSE), которая обеспечила возможность передачи потока 100 Гбит/с на большие расстояния на одной несущей (длине волны) с использованием в качестве формата модуляции четырехпозиционной фазовой манипуляции по обеим поляризациям (DP QPSK).
В это же время в IEEE были стандартизированы такие пакетные клиентские скорости и интерфейсы, как 40GE и 100GE. Эти инновации стимулировали переход к новой эре, которая настолько изменила сети, что в настоящее время практически все магистральные и CORE-сети строятся и расширяются на оптических каналах 100G, а на METRO-/региональных сетях уже начинают переходить к каналам 200G.
Для протяженных магистральных сетей важнейшим технико-экономическим показателем является повышение спектральной эффективности при снижении затрат на каждый передаваемый бит. Для линий большой (LH) и сверхбольшой (ULH) протяженности и каналов 100G этот показатель выполняется, однако для каналов с более высокой скоростью передачи его выполнение проблематично из-за необходимости перехода к форматам модуляции более высокого уровня и, как следствие, существенного снижения дальности передачи.
Дальность передачи для магистральных сетей может быть увеличена при сохранении приемлемых значений спектральной эффективности, например, за счет снижения скорости передачи на одной несущей до 50 Гбит/с и использования для этой несущей формата модуляции DP-BPSK (канал 100G при этом реализуется в виде суперканала на двух несущих 2 × 50G) или за счет использования усилителей Raman. Следует, однако, отметить, что появляются новые форматы модуляции, которые позволяют повысить пропускную способность и одновременно обеспечить параметры, необходимые для передачи на дальние и сверхдальние расстояния. К ним следует отнести формат 4D-SP-QPSK (4-Dimensional Set-Partitioning QPSK), который отличается более высокой символьной скоростью по сравнению с обычным форматом модуляции DP QPSK, предполагает использование гибкой сетки частот 62,5 ГГц, но обеспечивает при этом увеличение дальности передачи для 100G на 30%. При переходе к более высоким скоростям передачи общая пропускная способность системы будет в значительной мере определяться не только форматом модуляции, но и возможностями по использованию гибкой сетки частот для оптических каналов с учетом полосы частот, отводимой для передачи каждой модулированной HOM оптической несущей.
Технологии 200G позволяют удвоить пропускную способность оптического канала при тех же затратах, что и для канала 100G. Производитель может получить дополнительный доход за блок 200G, при том что для пользователя затраты будут меньше, чем при покупке двух отдельных блоков 100G. Провайдеры контента, такие, например, как Google и Apple, уже на ранней стадии развертывания своих систем начали переходить к решениям 200G с форматом модуляции DP 16QAM для обеспечения взаимодействия ЦОД. В то время как уже получен реальный положительный эффект от реализации формата модуляции DP 16QAM, первое поколение систем 200G имеет существенные ограничения по дальности связи (несколько сотен километров по сравнению с несколькими тысячами километров для 100G), что позволяет их использовать только на METRO-/региональных сетях. Возможности внедрения каналов 200G на магистральных сетях связывают с переходом на формат модуляции DP 8QAM для потока 200G (одна несущая) или с организацией суперканала 2 × 100G (две несущие) и использованием на каждой несущей формата модуляции DP QPSK.
Передача 400G на одной несущей с реализацией формата модуляции DP 64QAM будет следующим шагом при переходе к модуляции более высокого порядка, что, в свою очередь, приведет к удвоению пропускной способности существующих каналов 200G. Учитывая тот факт, что дальность связи в этом случае не превысит 100–150 км, можно предположить, что технологии 400G будут изначально внедряться на уровне METRO. Перспективу развертывания каналов 400G на METRO-/региональных сетях связывают с организацией суперканала 2 × 200G (две несущие) и с использованием для каждой несущей формата модуляции DP 16QAM или DP 8QAM. Публикация стандарта 400GE планируется в IEEE на конец 2017 года.
Пример реализации суперкогерентных и компактных решений для оптических транспортных систем
В марте 2016 года компания Nokia сообщила о выпуске второго поколения программируемых кремниевых СБИС ЦСП PSE-2, которые позволяют манипулировать на программном уровне такими важными параметрами, как формат модуляции, символьная скорость, количество несущих (одна или две), ориентация на фиксированную (например, 50 ГГц) или гибкую сетку частот (FelxGrid) с целью достижения требуемых характеристик системы при предоставлении сервисов. В основе свойств набора СБИС PSE-2 лежит практический опыт, накопленный компанией при широком внедрении на сетях операторов решений 100G или 200G на одной несущей и инноваций Nokia Bell Labs, включающих более 100 патентов по данной тематике.
Набор PSE-2 содержит два типа СБИС:
PSE-2 super coherent (PSE-2s) – суперкогерентное решение, нацеленное на повышение пропускной способности, дальности связи и эффективности системы. Оно обеспечивает увеличение количества сервисов 100G из расчета на одну оптическую несущую более чем в два раза при экономии энергопотребления так же более чем в два раза. Этот процессор может быть оперативно перепрограммирован и использован на сетях разной протяженности и пропускной способности – от небольших корпоративных до дальних и сверхдальних – с целью обеспечения требуемой пропускной способности оптического канала в диапазоне скоростей от 100 до 500 Гбит/с при использовании одной или двух несущих (длин волн);
PSE-2 Compact (PSE-2c) – компактное решение, нацеленное на предоставление сервисов поверх оптических каналов (длин волн) 100G, обеспечивает максимально возможную плотность интерфейсов (например, до четырех линейных интерфейсов 100G в одном блоке), снижение энергопотребления (до 66% по сравнению с ЦСП предыдущего поколения) и размеров блоков. Использование такой СБИС позволяет снизить затраты на развитие сети, поскольку включение новых каналов 100G предполагается производить по мере возникновения необходимости.
ЦСП PSE-2s позволяет реализовать на одном устройстве или блоке широкий спектр приложений, ориентированных как на METRO-, так и на магистральные сети большой протяженности за счет:
возможности изменять спектральную эффективность путем передачи большего или меньшего количества бит на символ при заданной скорости передачи символов (Бод);
когерентной цифровой обработки сигналов от одной или двух несущих;
поддержки суперканалов с несколькими несущими и гибкой сеткой частот (FlexGrid);
оригинальных алгоритмов определения фазы принятого с линии сигнала и программного обнаружения и исправления ошибок, известного как SD-FEC (Soft Decision Forward Error Correction);
применения двух значений символьной скорости (32,5 или 44,5 ГБод) для разных форматов модуляции с целью наиболее эффективного использования пропускной способности оптического канала (рис.3).
Суперкогерентная технология уже реализована в блоке оборудования NOKIA 1830PSS, имеющем пять клиентских интерфейсов 100G (CFP4) и два линейных WDM-интерфейса, и позволяет выбрать программным путем любой из семи форматов модуляции и скорости передачи данных в зависимости от требований, предъявляемых к оптическому соединению (оптическому каналу). Информация об этих форматах приведена в таблице.
Таким образом, к настоящему времени достигнуты следующие результаты по общей пропускной способности волоконно-оптических систем передачи: магистральные сети большой протяженности – от 9,6 Тбит/с до значений больших, чем 19 Тбит/с; METRO-сети – от 19,2 Тбит/с до величин больших, чем 35 Тбит/с.
Следует отметить, что не всегда имеется потребность в применении адаптивных форматов модуляции. В некоторых случаях оператор METRO-сетей больше заинтересован в низких затратах на начальной стадии внедрения каналов 100G. Именно для этих случаев предусмотрены кремниевые компактные СБИС PSE-2c.
Заключение
Новое поколение терабитных когерентных сетевых решений ориентированы на массовое предоставление сервисов 100GE на оптических транспортных сетях. Их характерными чертами являются:
эффективное масштабирование параметров оптических каналов (длин волн) для достижения требуемого сочетания пропускной способности, дальности и спектральной эффективности транспортной системы, а также высокой плотности портов;
многочисленные и уникальные режимы работы, что позволяет операторам строить сеть разных масштабов на одном типе оборудования и упрощает тем самым предоставление услуг поверх оптической сети;
программный выбор форматов модуляции и сетки частот оптических каналов с сохранением широких возможностей по защите и динамическому восстановлению высокоскоростных соединений в многослойных и мультитехнологичных (Packet/OTN/WDM) оптических сетях;
возможность внедрения соединений 100G по мере необходимости, особенно на тех сетях, где имеются различные варианты выбора маршрутов соединений поверх существующей оптической инфраструктуры;
готовность эволюционировать к программно-конфигурируемому транспортному сетевому уровню при реализации сетевой сервисной платформы WAN SDN.
Крупные телекоммуникационные операторы и провайдеры услуг связи владеют тысячами километров наземных и подводных кабельных линий связи. Потребности в пропускной способности таких сетей связаны не только с нарастающими объемами трафика широкополосных услуг мобильной связи, IP-видео, Интернета вещей, быстрым развитием облачных IT-услуг, но и с широким распространением корпоративных облачных технологий и видеоприложений для частных пользователей. Наблюдается устойчивый рост количества центров обработки данных (ЦОДов) и узлов обмена интернет-трафиком, что существенно повышает требования к пропускной способности и производительности узлов оптических транспортных сетей, обеспечивающих их взаимодействие между собой.
По данным аналитиков OVUM и научно-исследовательского центра Nokia Bell Labs, ожидаемый в ближайшие годы рост объемов трафика будет происходить следующими темпами:
для операторов связи и кабельного ТВ – до 20–60% в год, что определяется в основном запросами пользователей;
для провайдеров интернет-услуг – до 80–100% в год, причем главным драйвером такого значительного роста станут сервисы M2M.
Поставщики услуг связи, в том числе и традиционных, представляют собой самую большую группу, заинтересованную в придании своим сетям большей гибкости, масштабируемости, надежности и интеллектуальности. Начавшийся переход к широкому использованию терабитных когерентных многоканальных волоконно-оптических систем связи обусловлен стремлением операторов обеспечить:
увеличение пропускной способности транспортной инфраструктуры OTN/DWDM с тем, чтобы поддержать сервисы 100GE, а в будущем – и 400GE;
упрощение операций по обслуживанию сети и предоставлению услуг частным и корпоративным пользователям за счет использования общего аппаратного обеспечения и системы управления для METRO-/региональных и магистральных наземных и подводных сетей;
снижение затрат за счет повышения эффективности при предоставлении услуг сквозь пакетные, OTN- и WDM-транспортные уровни коммутации и агрегации трафика;
эволюцию к программно-определяемым сетям операторского класса, управляемым сетевыми и сервисными приложениями (WAN SDN).
Эволюция к гибким и масштабируемым оптическим транспортным сетям
Потребность в максимально эффективном использовании ресурсов волоконно-оптической кабельной инфраструктуры при снижении затрат на передачу каждого бита данных стимулировало работы по переходу к эластичным, гибким когерентным оптическим сетям, известным из различных публикаций как Elastic Optical Networks (EON) или Agile Optical Networks (AON).
Оптическое транспортное DWDM-оборудование, используемое на существующих сетях крупных телекоммуникационных операторов, включает, как правило, многосвязные (работающие на несколько направлений) оптические реконфигурируемые мультиплексоры ввода / вывода (ROADM), OTN- и SDH-кросс-коммутаторы, встроенные средства коммутации и агрегации пакетного трафика, соответствующие требованиям MEF 2.0, оптические усилители, компенсаторы хроматической дисперсии и др. Исследования ученых Nokia Bell Labs показали, что для эволюции к эластичным когерентным оптическим транспортным сетям потребуется дополнительно внедрить как минимум три функциональности:
гибкое управление пропускной способностью оптических каналов (длин волн);
адаптацию спектра передаваемого сигнала с тем, чтобы достичь наивысшей спектральной эффективности и наилучшим образом использовать полосу окна прозрачности оптического волокна (ОВ) и оптических усилителей группового сигнала;
выбор формата модуляции, метода кодирования и параметров сетки частот (длин волн) оптических каналов в зависимости от требуемой пропускной способности и дальности связи.
В результате эволюции оптический транспортный уровень сети должен соответствовать следующим требованиям:
производительность узлов и пропускная способность линий должны масштабироваться с требуемой гранулярностью;
когерентные оптические каналы (длины волн) различной пропускной способности должны активизироваться и маршрутизироваться по мере возникновения потребности в них у оператора;
выбор сетки частот и формата модуляции когерентных оптических каналов должен основываться на принципе достижения наивысшей спектральной эффективности для требуемой дальности связи;
новое поколение ROADM, которое иногда называют волновыми маршрутизаторами, должно обеспечить исполнение разных конфигураций, включая CDC-F (Colorless, Directionless, Contentionless – Flexgrid);
возможность использования C- и L-диапазонов длин волн (C-Band и L-Band) для передачи данных по ОВ;
цифровые сигнальные процессоры (ЦСП) должны быть выполнены на наборах высокопроизводительных, экономичных по энергопотреблению СБИС, реализующих передовые адаптивные алгоритмы обработки сигналов на передающей и приемной сторонах системы;
матрицы OTN-кросс-коммутации и пакетной агрегации трафика должны быть также реализованы на наборах высокопроизводительных и мало потребляющих энергию СБИС;
оптический транспортный уровень должен развиваться в направлении полноценного взаимодействия с сервисным IP-уровнем в рамках развития сетевой сервисной платформы, реализующей технологии WAN SDN.
Услуги и каналы 100G: активный этап внедрения на всех уровнях сети
За последние несколько лет когерентные DWDM-решения 100G стали ключевой технологической инновацией и движущей силой масштабирования оптических транспортных сетей, хотя сегодня большинство клиентов все еще подсоединены к транспортным оптическим сетям по интерфейсам с пропускной способностью не выше 10 Гбит/с. Практический интерес к когерентным методам приема в оптической связи вызван технологическими достижениями последних 5–10 лет, благодаря которым стало возможно реализовать:
на приемной стороне системы – местный источник нормированного излучения (местный лазер – local oscillator), не требующий использования сложных схем привязки к фазе / частоте принятого по линии оптического сигнала;
спектрально эффективные многоразмерные форматы модуляции высокого порядка (High Order Modulation, HOM), сверхбыстродействующие экономичные ЦСП, обеспечивающие на уровне электрического сигнала разделение обеих поляризаций, компенсацию дисперсионных искажений, выравнивание уровней сигналов, подавление кросс-поляризационных искажений, обнаружение и исправление ошибок в принятом по линии сигнале и т.п.
Внедрение когерентных оптических приемников позволило перейти к оптическим каналам с пропускной способностью 100, 200 Гбит/с и выше с применением HOM, например, четырехразмерных форматов, использующих такие параметры оптического сигнала, как фаза, амплитуда, поляризация и время, и обеспечивающих достижение высокой спектральной эффективности при значительно большей, по сравнению с имеющимися решениями, дальности передачи.
Дальнейшее развитие коммерческих сетей с использованием когерентных технологий во многих случаях связано с внедрением в сервисных маршрутизаторах портов 100GE и потребностью в их соединении каналами 100G для передачи больших объемов трафика, в том числе для обеспечения взаимодействия между ЦОД. Следует отметить, что даже в сетях доступа, где большинство синхронных ЦОД-приложений требует пропускной способности не более 10G, наблюдается тенденция к внедрению соединений 100G в связи с развитием ряда специализированных приложений, таких как высокопроизводительные компьютерные кластеры (High Performance Computing, HPC), комплексы вычислительных средств, необходимые для оперативного проведения транзакций на финансовых рынках (Algorithmic Trading) и т.п. (рис.1).
По результатам исследований эксперты Nokia Bell Labs в конце 2013 года спрогнозировали опережающий, по сравнению с ядром (CORE) и магистралью, рост трафика на METRO- / региональных сетях: к 2017 году он возрастет на 560%.
Эволюция к 100G
на уровне ядра и магистрали
В современном маршрутизаторе доминируют порты 100G, которые определяют требования к пропускной способности нижележащей транспортной сети. Интерфейсы 10G более не рассматриваются как эффективное решение для маршрутизаторов уровня ядра сети, в частности, по тем причинам, что:
производительность слота современного маршрутизатора, как правило, превышает производительность, которая может быть реализована при использовании в блоках интерфейсов 10G;
конфигурация Nx10G LAG сама по себе менее эффективна по сравнению с использованием интерфейса 100G.
В 2015 году провайдеры услуг затратили порядка 2,8 млрд. долл. США на маршрутизаторы IP/MPLS для ядра сети с интерфейсами 100GE. Прогнозируется дальнейший рост данного сектора рынка до 3,6 млрд. долл. к 2020 году.
Эволюция к 100G на уровне METRO- / региональных сетей
Транспортное оборудование для таких сетей должно поддерживать множество приложений, включая агрегацию и ретрансляцию трафика между базовыми станциями и ядром сети оператора мобильной связи (мобильный бэкхол), мультисервисную агрегацию и ретрансляцию разнообразного трафика, предоставление услуг частным и корпоративным пользователям и т.п. Для обеспечения взаимодействия по схеме "каждый с каждым" (mesh) между портами сервисных маршрутизаторов потребуется реализовать тысячи линейных соединений 100G.
Важным критерием эффективности подобных решений станет степень снижения энергопотребления и габаритов транспортного оборудования.
Ожидается, что в 2018 году на оптических транспортных сетях количество каналов 100G превысит число каналов 10G (рис.2).
Возможности дальнейшего повышения пропускной способности и дальности связи для когерентных оптических сетей
Исследования показали, что высокая пропускная способность оптических каналов и системы в целом может быть достигнута на небольших расстояниях, в то время как большая дальность передачи приводит к снижению пропускной способности. Существуют две возможности увеличить пропускную способность системы при использовании одного и того же ОВ. Одна из них – увеличить количество бит на передаваемый символ с использованием формата модуляции более высокого порядка, например, путем перехода от BPSK к QPSK, 8QAM, 16QAM, 64QAM. Каждая из таких успешных операций повышает количество бит, которые могут быть переданы одновременно одним символом и тем самым увеличивают пропускную способность.
Другая возможность увеличения пропускной способности – повышение скорости передачи и приема символов в единицу времени, определяемых в значениях Бод. Типичные символьные скорости для 100G варьируются от 28 до 32 ГБод. Возрастание символьной скорости (Бод) позволяет передать больше информации за тот же временной интервал, однако, как правило, приводит к расширению спектра оптического канала и к необходимости перехода к гибкой сетке частот (FlexGrid).
Каждая из этих возможностей связана с необходимостью выбора окончательного решения. Рост пропускной способности с использованием HOM сопровождается, как правило, уменьшением дальности связи, поскольку последняя связана со значением отношения сигнал / шум (OSNR) на приемной стороне и зависит от способности оборудования различать принимаемые символы по их интенсивности и фазе на фоне шумов.
Следует учитывать, что при более высокой символьной скорости линейного сигнала каждый компонент оптической линии, и особенно цифровой сигнальный процессор, должен работать с более высокой скоростью, что уже сегодня требует использования компонент с полосой частот до 40 ГГц и символьной скоростью сигналов до 64 ГБод.
Эволюция от 100G к 200G и выше: выбор форматов модуляции для сетей разного назначения
В середине 2010 года был создан первый в мире когерентный линейный интерфейс 100G: компания Alcatel-Lucent* анонсировала СБИС когерентного цифрового сигнального процессора Photonic Service Engine (PSE), которая обеспечила возможность передачи потока 100 Гбит/с на большие расстояния на одной несущей (длине волны) с использованием в качестве формата модуляции четырехпозиционной фазовой манипуляции по обеим поляризациям (DP QPSK).
В это же время в IEEE были стандартизированы такие пакетные клиентские скорости и интерфейсы, как 40GE и 100GE. Эти инновации стимулировали переход к новой эре, которая настолько изменила сети, что в настоящее время практически все магистральные и CORE-сети строятся и расширяются на оптических каналах 100G, а на METRO-/региональных сетях уже начинают переходить к каналам 200G.
Для протяженных магистральных сетей важнейшим технико-экономическим показателем является повышение спектральной эффективности при снижении затрат на каждый передаваемый бит. Для линий большой (LH) и сверхбольшой (ULH) протяженности и каналов 100G этот показатель выполняется, однако для каналов с более высокой скоростью передачи его выполнение проблематично из-за необходимости перехода к форматам модуляции более высокого уровня и, как следствие, существенного снижения дальности передачи.
Дальность передачи для магистральных сетей может быть увеличена при сохранении приемлемых значений спектральной эффективности, например, за счет снижения скорости передачи на одной несущей до 50 Гбит/с и использования для этой несущей формата модуляции DP-BPSK (канал 100G при этом реализуется в виде суперканала на двух несущих 2 × 50G) или за счет использования усилителей Raman. Следует, однако, отметить, что появляются новые форматы модуляции, которые позволяют повысить пропускную способность и одновременно обеспечить параметры, необходимые для передачи на дальние и сверхдальние расстояния. К ним следует отнести формат 4D-SP-QPSK (4-Dimensional Set-Partitioning QPSK), который отличается более высокой символьной скоростью по сравнению с обычным форматом модуляции DP QPSK, предполагает использование гибкой сетки частот 62,5 ГГц, но обеспечивает при этом увеличение дальности передачи для 100G на 30%. При переходе к более высоким скоростям передачи общая пропускная способность системы будет в значительной мере определяться не только форматом модуляции, но и возможностями по использованию гибкой сетки частот для оптических каналов с учетом полосы частот, отводимой для передачи каждой модулированной HOM оптической несущей.
Технологии 200G позволяют удвоить пропускную способность оптического канала при тех же затратах, что и для канала 100G. Производитель может получить дополнительный доход за блок 200G, при том что для пользователя затраты будут меньше, чем при покупке двух отдельных блоков 100G. Провайдеры контента, такие, например, как Google и Apple, уже на ранней стадии развертывания своих систем начали переходить к решениям 200G с форматом модуляции DP 16QAM для обеспечения взаимодействия ЦОД. В то время как уже получен реальный положительный эффект от реализации формата модуляции DP 16QAM, первое поколение систем 200G имеет существенные ограничения по дальности связи (несколько сотен километров по сравнению с несколькими тысячами километров для 100G), что позволяет их использовать только на METRO-/региональных сетях. Возможности внедрения каналов 200G на магистральных сетях связывают с переходом на формат модуляции DP 8QAM для потока 200G (одна несущая) или с организацией суперканала 2 × 100G (две несущие) и использованием на каждой несущей формата модуляции DP QPSK.
Передача 400G на одной несущей с реализацией формата модуляции DP 64QAM будет следующим шагом при переходе к модуляции более высокого порядка, что, в свою очередь, приведет к удвоению пропускной способности существующих каналов 200G. Учитывая тот факт, что дальность связи в этом случае не превысит 100–150 км, можно предположить, что технологии 400G будут изначально внедряться на уровне METRO. Перспективу развертывания каналов 400G на METRO-/региональных сетях связывают с организацией суперканала 2 × 200G (две несущие) и с использованием для каждой несущей формата модуляции DP 16QAM или DP 8QAM. Публикация стандарта 400GE планируется в IEEE на конец 2017 года.
Пример реализации суперкогерентных и компактных решений для оптических транспортных систем
В марте 2016 года компания Nokia сообщила о выпуске второго поколения программируемых кремниевых СБИС ЦСП PSE-2, которые позволяют манипулировать на программном уровне такими важными параметрами, как формат модуляции, символьная скорость, количество несущих (одна или две), ориентация на фиксированную (например, 50 ГГц) или гибкую сетку частот (FelxGrid) с целью достижения требуемых характеристик системы при предоставлении сервисов. В основе свойств набора СБИС PSE-2 лежит практический опыт, накопленный компанией при широком внедрении на сетях операторов решений 100G или 200G на одной несущей и инноваций Nokia Bell Labs, включающих более 100 патентов по данной тематике.
Набор PSE-2 содержит два типа СБИС:
PSE-2 super coherent (PSE-2s) – суперкогерентное решение, нацеленное на повышение пропускной способности, дальности связи и эффективности системы. Оно обеспечивает увеличение количества сервисов 100G из расчета на одну оптическую несущую более чем в два раза при экономии энергопотребления так же более чем в два раза. Этот процессор может быть оперативно перепрограммирован и использован на сетях разной протяженности и пропускной способности – от небольших корпоративных до дальних и сверхдальних – с целью обеспечения требуемой пропускной способности оптического канала в диапазоне скоростей от 100 до 500 Гбит/с при использовании одной или двух несущих (длин волн);
PSE-2 Compact (PSE-2c) – компактное решение, нацеленное на предоставление сервисов поверх оптических каналов (длин волн) 100G, обеспечивает максимально возможную плотность интерфейсов (например, до четырех линейных интерфейсов 100G в одном блоке), снижение энергопотребления (до 66% по сравнению с ЦСП предыдущего поколения) и размеров блоков. Использование такой СБИС позволяет снизить затраты на развитие сети, поскольку включение новых каналов 100G предполагается производить по мере возникновения необходимости.
ЦСП PSE-2s позволяет реализовать на одном устройстве или блоке широкий спектр приложений, ориентированных как на METRO-, так и на магистральные сети большой протяженности за счет:
возможности изменять спектральную эффективность путем передачи большего или меньшего количества бит на символ при заданной скорости передачи символов (Бод);
когерентной цифровой обработки сигналов от одной или двух несущих;
поддержки суперканалов с несколькими несущими и гибкой сеткой частот (FlexGrid);
оригинальных алгоритмов определения фазы принятого с линии сигнала и программного обнаружения и исправления ошибок, известного как SD-FEC (Soft Decision Forward Error Correction);
применения двух значений символьной скорости (32,5 или 44,5 ГБод) для разных форматов модуляции с целью наиболее эффективного использования пропускной способности оптического канала (рис.3).
Суперкогерентная технология уже реализована в блоке оборудования NOKIA 1830PSS, имеющем пять клиентских интерфейсов 100G (CFP4) и два линейных WDM-интерфейса, и позволяет выбрать программным путем любой из семи форматов модуляции и скорости передачи данных в зависимости от требований, предъявляемых к оптическому соединению (оптическому каналу). Информация об этих форматах приведена в таблице.
Таким образом, к настоящему времени достигнуты следующие результаты по общей пропускной способности волоконно-оптических систем передачи: магистральные сети большой протяженности – от 9,6 Тбит/с до значений больших, чем 19 Тбит/с; METRO-сети – от 19,2 Тбит/с до величин больших, чем 35 Тбит/с.
Следует отметить, что не всегда имеется потребность в применении адаптивных форматов модуляции. В некоторых случаях оператор METRO-сетей больше заинтересован в низких затратах на начальной стадии внедрения каналов 100G. Именно для этих случаев предусмотрены кремниевые компактные СБИС PSE-2c.
Заключение
Новое поколение терабитных когерентных сетевых решений ориентированы на массовое предоставление сервисов 100GE на оптических транспортных сетях. Их характерными чертами являются:
эффективное масштабирование параметров оптических каналов (длин волн) для достижения требуемого сочетания пропускной способности, дальности и спектральной эффективности транспортной системы, а также высокой плотности портов;
многочисленные и уникальные режимы работы, что позволяет операторам строить сеть разных масштабов на одном типе оборудования и упрощает тем самым предоставление услуг поверх оптической сети;
программный выбор форматов модуляции и сетки частот оптических каналов с сохранением широких возможностей по защите и динамическому восстановлению высокоскоростных соединений в многослойных и мультитехнологичных (Packet/OTN/WDM) оптических сетях;
возможность внедрения соединений 100G по мере необходимости, особенно на тех сетях, где имеются различные варианты выбора маршрутов соединений поверх существующей оптической инфраструктуры;
готовность эволюционировать к программно-конфигурируемому транспортному сетевому уровню при реализации сетевой сервисной платформы WAN SDN.
Отзывы читателей
