№ 4 (71) 2013

Василий ТКАЧЕНКО

Как известно, аппетит приходит во время еды, а предложение вполне может рождать спрос. Это относится и к скоростям интернет-доступа, а соответственно — и к пропускной способности сетей связи, что обусловлено целым рядом причин. К ним можно отнести, например, увеличение проникновения широкополосного доступа (в частности, FTTB/FTTH), а также развитие мобильной связи 3G/4G, которые требуют мощных оптических линий для сетевого трафика. Последний, в свою очередь, тоже растет по мере распространения таких услуг, как видеотелефония и он-лайн телевидение, сетевые игры и «облачное» хранение данных. А обещанный футурологами «Интернет вещей» с миллиардами датчиков, под-ключенных ко всему на свете, повысит требования к производительности каналов еще больше.

Поэтому технология DWDM, на которой строятся транспортные сети, продолжает развиваться в направлении увеличения пропускной способности. Сейчас повсеместно строятся оптические магистрали, в которых на одной длине волны передаются данные со ско¬ростью 100 Гбит/ с. Кое- где уже проложены линии с «суперканалами» на 400 Гбит/с, на очереди 1 Тбит/ с и еще более высокие скорости.

Сотня на проводе

Оптические каналы 100 Гбит/с (под каналом здесь понимается информационный поток, который передается на одной оптической несущей) в последние 2-3 года перестали быть экзотикой и появляются повсюду, в том числе и в Украине. В 2011 году «ЕвроТрансТелеком» развернул первый участок протяженностью 560 км между Киевом и Харьковом. В 2012 году продолжилось развитие в направлении крупных областных центров. На сети «ЕвроТрансТелеком» используется платформа Ciena 6500 с оптическими про-цессорами WaveLogic.

«МТС Украина» в конце прошлого года сообщила о модернизации своей транспортной сети, на которой также были добавлены интерфейсы 100G (используется оборудование Cisco и Huawei). В марте нынешнего года таким каналом обзавелся

«Укртелеком» (участок между Киевом и Днепропетровском из 15 площадок на оборудовании Cisco ONS 1545). В июле «Киевстар» отчитался о введении обновленных каналов 100 Гбит/с магистральной сети между Киевом, Днепропетровском, Одессой, Харьковом и Львовом, этот оператор также использует упомянутую платформу Cisco. А «Датагруп» выбрала решение Ekinops 360, включив каналы 100G на 820-километровом участке между Киевом и Харьковом (позднее планируется добавить направление Киев — Львов). Оборудование Ekinops интересно тем, что может быть сконфигурировано либо как транспондер на 100G, либо как мукспондер для агрегации 10 каналов 10GE. Наконец, известно, что испытания стогигабитного канала в 2012 году проводил «Астелит».

Перечислять все проекты внедрения 100G в мире нет смысла, их слишком много. Однако, согласно майскому отчету Ovum, в первом квар¬тале 2013 года 100G- портов было отгружено на 41% боль¬ше, чем за четвертый квартал прошлого года; всего же объем мирового рынка оборудования 100G в денежном исчислении составил $14,5 млрд.

При этом аналитики отметили небольшое падение продаж решений 40G, что они объясняют агрессивным ценообразованием в сегменте 100G. Среди производителей, по данным Ovum, лидируют Huawei, ZTE и Alcatel-Lucent.

Среди интересных испытаний можно отметить передачу данных со скоростью 100 Гбит/ с на расстояние более 3 тыс. км без регенерации, которую продемонстрировала Cisco в феврале прошлого года.

Внутри стогигабитного канала

Каким же образом пропускная способность канала увеличивается в 10 раз? Простое наращивание скорости передачи путем сокращения длительности импульсов (элементарных оптических посылок сигнала) приведет к значительному падению отношения «сигнал/шум» (по оценкам Ciena, на 10 дБ), что потребует установки дополнительных усилителей для обеспечения требуемой дальности связи. Кроме того, нужно бороться с эффектами дисперсии — хроматической и поляризационной, которые приводят к расширению импульса при передаче его по волокну и, соответственно, ограничивают скорость трафика. Наконец, при переходе с 10G на 40/100G важно, чтобы была возможность использовать существующую инфраструктуру, рассчитанную на скорости 10 Гбит/с (предлагаемые системы передачи в основном совместимы с волокнами для 10G); кроме того, желательно обеспечить взаимодействие между системами разных производителей.

В решениях 100G используются технологии, позволяющие решить все эти задачи. Прежде всего, это смена вида модуляции. Простая амплитудная манипуляция, которая используется в системах до 10G, на более высоких скоростях выявляет свои недостатки: в этих условиях гораздо сильнее проявляется влияние поляризационной и хроматической дисперсии. Одним из выходов может быть использование таких видов модуляции, в которых на один символ приходится несколько бит — чаще всего квадратурно- фазовой манипуляции, известной под разными названиями: PM-QPSK, CP-QPSK, DP- QPSK — с мультиплексированной/ двойной/когерентной поляризацией, где элементарная посылка оптического сигнала переносит четыре бита.

Еще одной технологией, используемой в системах выше 10 Гбит/ с, является когерентный прием, при котором на оптический детектор, кроме входного, подается еще опорный сигнал от высокостабильного локального генератора. Это позволяет фиксировать не только абсолютный уровень света, но и его фазу, что необходимо для принятии решения о передаваемой на оптической несущей информации.

Тут надо отметить, что некоторые производители для организации каналов 100G используют не только когерентное, но и прямое детектирование. Такие решения находят применение на сетях городского и регионального уровня, где не требуется большая дальность связи, стоят они дешевле и потребляют меньше энергии, хотя спектральная эффективность при этом меньше. При этом используется не квадратурно-фазовая, а амплитудная модуляция — на пример, с дуобинарным кодом, как в решении компании ADVA (в котором, нужно отметить, стогигабитный канал формируется не на одной несущей, а собирается по схеме 4x28 Гбит/ с. Впрочем, ADVA обращает внимание, что 100G все равно в большинстве случаев внедряется на свобод¬ых «лямбдах» действующих систем). Карты с прямым детектированием есть и у ряда других производителей: на пример, Oplink и MultiPhy.
Также к технологиям, которые используются в системах 100G, можно отнести алгорит-мы упреждающей коррекции ошибок с «мягким принятием решения» (Soft FEC), при котором на декодер подается не только решение о принятой битовой группе, но и доверительная величина, связанная с его демодуляцией — так называемая оценка качества принятого сигнала.

Больше ста

Разработка ресурса оптического волокна тем временем продолжается, и на повестке дня уже стоят каналы с пропускной способностью более 100 Гбит/ с. Тут простое увеличение скорости передачи не спасет. Если в канал 100G с модуляцией DP-QPSK (выше мы уже писали, что элементарная оптическая посылка такого сигнала переносит сразу четыре бита) лазер отправляет данные со скоростью около 32 Гбод, то при терабитном потоке эта скорость составит соответственно 320 Гбод. Современный уровень электроники не позволяет создавать интерфейсы, поддерживающие такую символьную скорость. Связано это с тем, что в когерентном приемнике модулированный сигнал перед обработкой в цифровом сигнальном процессоре должен быть соответственно оцифрован, а на сверхвысоких скоростях аналого-цифровое преобразование требует чрезвычайно много вычислительных ресурсов.

Один из возможных выходов — использование модуляции по фазе, амплитуде и поляризации DP QАМ) большой кратности. Так, DP-16QAM дает емкость 8 бит на посылку, тем самым увеличивая пропускную способность вдвое, при этом можно уже создавать каналы 200G на одной длине волны. Однако чем больше символьная емкость, тем меньше оптической мощности приходится на один бит данных, поэтому использование квадратурной модуляции высших порядков резко снижает дальность передачи. Если при DP- QPSK она может составлять 3-4 тыс. км, то при DP- 16QAM дальность падает до 700- 1000 км, для DP-64QAM она не превысит 200 км.

Поэтому для получения скоростей свыше 100 Гбит/с (точнее, в основном для экспериментов с такими скоростями) используются «суперканалы», представляющие собой логическое объединение нескольких теперь уже «обычных» каналов 1000. При этом можно использовать транспондеры и волокна, рассчитанные на 10 и 100 Гбит/с (потому-то производители и говорят, что, например, терабитная ско¬рость во время испытаний была достигнута на коммерчески доступном оборудовании). Поскольку в такой схеме достаточно модуляции DP- QPSK, дальность передачи будет такой же, как у оптических линий нынешнего поколения.

Есть еще одна хитрость, позволяющая повысить спектральную эффективность и «ужать» полосу частот, занимаемую суперканалом. В настоящее время в системах DWDM шаг между волнами составляет 50 ГГц. Хотя в рекомендации ITU- T G.694.1 (02/2002) была установлена сетка частот с минимальным шагом 12,5 ГГц, технологии пока до такого уровня не доросли; насколько известно, только в DWDM-модуле компании Infinera используется шаг 25 ГГц. Уменьшение защитной полосы между поднесущими до 12,5 ГГц даст выигрыш в пропускной способности, но это еще не все. В новой версии документа, принятой в прошлом году, была введена т.н. «гибкая сетка частот», в которой можно делить оптический спектр волокна между каналами неодинаковой ширины и с разной модуляцией. Правда, при этом возникает проблема совместимости с существующими ROADM- системами, поддерживающими фиксированную сетку частот. Ориентировочные показатели разных видов модуляции (дальность передачи и максимальная пропускная спо-собность оптической линии связи) приведены в таблице.

На рис. приведен спектр терабитных DWDM- суперканалов: с фиксированной сеткой частот, где поднесущие разделены защитными интервалами (а), и с гибкой сеткой (б). На (в) показаны несколько суперканалов, также разделенных неиспользуемой защитной полосой.
Предполагается, что оптические коммутаторы будут обрабатывать суперканалы как

единое целое. А объединение всех несущих будет производиться на интегрированной линейной карте, содержащей в себе все необходимые оптические компоненты.

Суперканалы в действии

Околотерабитные технологии передачи пока в основном находятся на стадии тестирования, поэтому рассказывать об успешном или неуспешном опыте их эксплуатации особо нечего. Реальных внедрений — считанные единицы, и во всех случаях речь идет о суперканалах 400G. Так, в феврале 2013 года France Telecom- Orange ввела на своей сети систему передачи с оптическими каналами 400 Гбит/ с. После успешного завершения полевых испытаний вступила в строй линия между Парижем и Лионом. Она включает 44 оптических канала, общая емкость новой линии передачи составляет 17,6 Тбит/с. При построении линии использовалось коммерчески доступное решение Alcatel-Lucent для оптических сетей, основанное на технологии 400 Gbps Photonic Service Engine.

В марте нынешнего года тестирование каналов 100, 200, 400 и 800G было проведено на действующем 410- километровом участке сети BT (Великобритания) с использованием модулей WaveLogic компании Ciena. Согласно пресс-релизу, тесты проходили на старом оптическом волокне с сильной поляризационной дисперсией, которое не подходит даже для передачи сигналов со скоростью 10 Гбит/с. Кроме того, в одном из испытаний параллельно передавался трафик со скорости 400 Гбит/с по суперканалу с модуляцией 16QAM, тогда как в смежных каналах 40G и 100G использовалась DP-QPSK, тем самым была продемонстрирована возможность одновременного применения старых и новых технологий на одной сети и наращивания скоростей передачи в зависимости от потребностей оператора.

Infinera продвигает суперканалы 500G, которые реализует ее платформа DTN- X. Ряд испытаний был проведен в 2011 году — например, в Африке на сети континентального оператора Seacom и в Калифорнии на действующих кабелях с одновременной работой каналов 10G, а в 2012 году в Юго-Восточной Азии на сети регионального оператора Pacnet была продемонстрирована передача по подводному кабелю на расстояние свыше 4,5 тыс. км.

Тем временем в марте прошлого года Huawei показала прототип магистральной системы DWDM на основе 400G, обеспечивающей передачу 20 Тбит/с по одному волокну на расстояние до 100 км без регенерации.

На терабитном фронте вестей еще меньше. ZTE показывала прототип системы DWDM, поддерживающей 1Тбит/ с еще в 2011 году, а в 2012- м продемонстрировала коммерческий продукт. В январе нынешнего года NEC сообщила об успешно проведенной передаче данных со скоростью 1 Тбит/с на трансокеанском маршруте длиной 5,4 тыс. км. Для формирования суперканала был использован ряд новых технологий: программно-определяемый формирователь импульсов, сглаживающий искажения при передаче, и гибкая сетка частот. В июле инженеры Alcatel-Lucent провели сеанс передачи данных с рекордной скоростью 31 Гбит/ с на расстояние 7,2 тыс. км по подводному кабелю (с регенерационным участком 100 км); в испытаниях была задействована 155-канальная система с пропускной способностью 200 Гбит/ с на длину волны и с шагом частотной сетки 50 ГГц.

Вот, пожалуй, и вся на данный момент история испытаний терабитных каналов DWDM на действующих сетях.

По сути, системы с поддержкой более 100G пока только выходят на стадию тестов, но не коммерческого внедрения, поэтому больших проектов в ближайшие годы ждать не приходится. Пока же происходит миграция на 100 Гбит/с, и этих скоростей на ближайшие годы должно хватить. Эволюция технологий, однако, продолжается: Cisco прогнозирует в будущем передачу 200 Гбит/с на одной длине волны с суммарной пропускной способностью 28,8 Тбит/ с для пары волокон. По некоторым оценкам, передать 1 Тбит/ с на одной длине волны удастся лет через десять. Судя по темпам роста трафика, эти возможности нам понадобятся.
 

Василий ТКАЧЕНКО,

СиБ 

№ 4 (сенятбрь) 2013