Исследование методов оптимального проектирования оптической сети WDM при статическом варианте трафика

Реферат по теме выпускной работы

При написании данного реферата магистерская работа еще не завершена. Окончательное завершение: июнь 2021 года. Полный текст работы и материалы по теме могут быть получены у автора или его руководителя после указанной даты.

Содержание

• Введение
• 1. Актуальность темы
• 2. Принцип работы систем со спектральным уплотнением
• 3. Цель и задачи исследования, планируемый результат
• 3.1 Анализ и увеличение пропускной способности технологии WDM в городских сетях
• 3.2 Предоставление дополнительного потока Е1 клиенту
• Выводы
• Список источников

Введение

В последнее время заметного удешевления оптических каналов удалось достичь за счет мультиплексирования с делением по длине волны. Волновое мультиплексирование (Wave Division Multiplexing, WDM) представляет собой технологию передачи в оптических системах, где различные источники используют разную длину волны. При этом два и более оптических сигналов объединяются и передаются по одному общему оптическому пути. Эта технология позволяет объединение передачи нескольких потоков данных по одному физическому волконно–оптическому кабелю. Такое увеличение емкости кабеля достигается исходя из фундаментального принципа физики. Он состоит в том, что лучи света с разными длинами волн не взаимодействуют между собой. Основная идея систем WDM состоит в использовании нескольких длин волн (или частот) для передачи отдельного потока данных на каждой из них.

1. Актуальность темы

Рост объема передаваемых данных постепенно привел к исчерпанию пропускной способности существующего оптического волокна, со всей остротой поставив вопрос ее увеличения. Традиционные технологии телекоммуникаций позволяют по одному оптическому волокну передать только один сигнал. Суть же технологии спектрального, или оптического уплотнения заключается в возможности организации множества раздельных сигналов по одному волокну, а, следовательно, многократном увеличении пропускной способности линии связи. Технология WDM позволяет существенно увеличить пропускную способность канала, причем она позволяет использовать уже проложенные волоконно-оптические линии. Благодаря WDM удается организовать двустороннюю многоканальную передачу трафика по одному волокну (в обычных линиях используется пара волокон — для передачи в прямом и обратном направлениях).

2. Принцип работы систем со спектральным уплотнением

Каждый лазерный передатчик генерирует сигнал на определенной частоте из частотного плана. Оптическое волокно имеет три окна прозрачности в инфракрасной области; их центральные длины волн равны 850, 1300 и 1550 нм. Для передачи на большие расстояния используются только диапазоны 1300 и 1550 нм, характеризующиеся минимальным затуханием сигналов. То есть по одному волокну можно передавать более сотни стандартных каналов.

Принципиальная схема WDM достаточно проста. Для того чтобы организовать в одном волокне несколько оптических каналов сигналы SDH «окрашивают», то есть меняют оптическую длину волны для каждого такого сигнала. Окрашенные сигналы смешиваются при помощи мультиплексора и передаются в оптическую линию. В конечном пункте происходит обратная операция – окрашенные сигналы SDH выделяются из группового сигнала и передаются потребителю. На рисунке показано, как многоканальная передача осуществляется по волокну. Волновой мультиплексор объединяет сигналы с разными несущими из нескольких входных волокон и передает их по одному магистральному волокну. Мультиплексирование выполняется пассивными устройствами, функционирование которых основывается на известных явлениях физической оптики – дисперсии, дифракции, интерференции. Обратную операцию реализует волновой демультиплексор: он выделяет одноканальные потоки из многоканального трафика и направляет их в отдельные волокна. При выполнении данных операций используются довольно распространенные сегодня широкополосные волоконные усилители с добавками эрбия, каждый из которых одновременно обслуживает все каналы волокна. В таких усилителях излучение лазера накачки поглощается атомами примеси (эрбия), введенной в волокно, а затем накопленная в них энергия высвечивается в виде оптического сигнала. Чаще всего оптические усилители находятся в десятках километров друг от друга; некоторые WDM–системы дают возможность довести это расстояние до 120 км.

3. Цель и задачи исследования, планируемый результат

Целью данной работы: является повышение пропускной способности оптоволоконных магистралей за счет использования технологии мультиплексирования с разделением по длине волны.

Задачи:

1. Анализ и увеличение пропускной способности технологии WDM в городских сетях.
2. Предоставление дополнительного потока Е1 клиенту.

3.1 Анализ и увеличение пропускной способности технологии WDM в городских сетях

Применение технологии WDM на уровне городских сетей дает провайдерам значительную гибкость, которая позволяет им предлагать услуги для различных секторов рынка. Прозрачность оптической передачи позволяет осуществлять локальную связь по существующим протоколам (IP, Ethernet и т. д.) с добавлением защиты на уровне линий SONET/SDH. Нельзя сказать, что системы DWDM городского масштаба обязательно проще, чем их аналоги на линиях высокой протяженности.
Для локальных сетей связи намного важнее гибкость. При их проектировании необходимо предусматривать как можно большее число возможных конфигураций с возможно меньшей зависимостью от применяемых протоколов передачи. Установка системы WDM городского масштаба не подразумевает обязательного отказа от существующих сетей SONET/SDH: они могут существовать параллельно, причем определенные части систем DWDM могут передавать трафик SONET/SDH. Более того, для эффективного использования полосы пропускания систем WDM трафик SONET/SDH, IP или ATM в оригинальном формате, можно передавать по различным каналам.
Системы WDM городского масштаба позволяют также передавать трафик таких протоколов, как Gigabit Ethernet, FDDI и ESCON. Хотя передавать «неэффективно использующие время» сигналы типа Gigabit Ethernet в их оригинальном формате по каналам WDM высокой протяженности не всегда экономично, иногда имеет смысл это делать для коротких дистанций, типичных для городских сетей связи. Магистральные линии связи обычно имеют протяженность более 50 км, и для них типичны оптические и технические ограничения систем такой протяженности. При этом требования к их гибкости остаются высокими. Например, они могут использоваться провайдерами для предоставления высококачественных услуг связи. Хотя для линий такой протяженности часто требуются линейные оптические усилители, они могут быть достаточно экономичными при работе на низких скоростях передачи, что снижает стоимость таких систем.
Городские системы DWDM часто имеют кольцевую топологию (либо в виде двух колец с противоположными направлениями передачи, либо в виде одного двунаправленного кольца), которая совместима с кольцевой топологией сетей SDH. Схемы мониторинга и защиты обеспечивают быстрое переключение каналов на резерв (за время порядка десятков миллисекунд) в случае выхода из строя какого-либо компонента или волокна.

В кольцевой сети DWDM каналы добавляются и выделяются в произвольных точках кольца, поэтому балансировка каналов может быть затруднена, хотя из-за отсутствия усилителей EDFA она становится намного менее существенной. Кольцевая топология сети сама по себе также может приводить к определенным проблемам. Например, для доставки услуг кабельного телевидения в квартиры лучше всего подходят сети топологии типа «дерево». К счастью, для кольцевых сетей DWDM разработаны способы организации различных сетевых топологий («дерево», «точка-точка», широковещание и др.) за счет соответствующего использования большого числа доступных каналов в кольце.

Городская сеть WDM (рис.3 б) более экономична, чем традиционные линии связи SONET/SDH (рис.3 а). Сложность оборудования добавления / выделения каналов в сетях DWDM зависит только от характеристик этого канала, ему не приходится работать со всей информационной полосой линии связи. Кроме того, переход линии связи на технологию WDM и добавление новых услуг не нарушает передачу существующего трафика, что особенно важно при постоянных изменениях предоставляемых услуг.

Передача сигналов в сетях WDM не ограничена определенными временными кадрами или протоколами, выбор которых до этого часто определялся возможностями используемых в сети систем передачи, а не удобством для пользователей. По сети WDM могут одновременно передаваться данные в самых разных форматах, в том числе аналоговые по своей сути потоки голоса и видео, в широком диапазоне скоростей. Удобные для пользователя протоколы - например, Ethernet – могут пропускаться прозрачно, без какой-либо трансформации сигнала, и в самой сети не нужно учитывать требования конкретного транспортного протокола.

Помимо всех этих преимуществ, городские сети WDM во многих случаях очень просто соединяются с магистральными сетями с сохранением скоростей и протоколов передачи. Компоненты и системы для городских сетей WDM в последнее время становятся доступны: цена двухволоконной между офисной линии связи составляет от 30 до 50 тыс. долларов США за канал, стоимость городских сетей доступа еще ниже.

Наряду с предложением новых услуг, переход к системам WDM должен обеспечивать клиенту все те механизмы резервирования, которые предусмотрены в сетях SONET/SDH. Для этого требуется тщательное всестороннее планирование сети, основными факторами при котором является цена, функциональность и возможность расширения сети в будущем.

3.2 Предоставление дополнительного потока Е1 клиенту

Рассмотрим сеть, объединяющую три клиентских узла с центральным узлом. Всем клиентам предоставляется поток SDH уровня STM–1. Для этого используется кольцо SDH уровня STM–1, создаваемое путем последовательного объединения центрального и абонентских узлов парами волокон (рис. 4). Предположим также, что сеть STM-1 полностью загружена, а заказчик, обслуживаемый узлом B, запросил дополнительно 10 потоков E1. Предположим, что дополнительные волокна есть везде, кроме участка между центральным узлом и узлом C (рис.4)

•Оператор связи может решить задачу предоставления клиентскому узлу В запрошенных ресурсов, используя WDM.

Требуется создание второго кольца SDH, использующего на участках от центрального узла до узла А и между узлами А–В и В–С имеющиеся свободные волокна, а на участке от центрального узла до абонентского узла С оборудование спектрального уплотнения WDM и два канала на разных длинах волн. Реализовать систему WDM на участке от центрального узла до узла С можно несколькими способами. Для примера рассмотрим два варианта. Вариант А. Первое кольцо SDH уровня STM–1 первоначально работало на длине волны 1310 нм, и поэтому целесообразно по возможности оставить его без изменений. Дополнительное кольцо STM–1 на участке от центрального узла до абонентского узла С будет работать на длине волны 1550 нм, а на остальных участках – на длине волны 1310 нм с использованием свободной пары волокон. Следовательно, в узле С необходимо установить преобразователи длины волны. Кроме того, в центральном узле и абонентском узле С необходимо установить мультиплексоры, объединяющие две длины волны. (рис. 5).

Цены на WDM-оборудование взяты у отечественного производителя. В комплект WDM входят несколько транспондеров и комплекты мультиплексоров / демультиплексоров.

4. Выводы

В ходе магистрерской диссертации был предложен оптимальный вариант уплотнения трафика в WDM сетях, в рассматриваемой сети городского типа. Последнее следует из проведенного анализа типичной ситуации нехватки пропускной способности оптоволоконных магистралей возникающих у городских операторов телефонной связи.На основании этого анализа сделан вывод, что при неопределенном росте трафика использование WDМ-технологии позволяет провайдеру гибко реагировать на рост потребностей заказчика, без риска вложить активы в волокна, которые долгое время могут оставаться не рабочими. Кроме того, согласно проведенному анализу WDM-технология наиболее эффективна там, где требуется срочность и необходимо избежать долгосрочного строительства новой ВОЛС.

Список использованной литературы

1. Оптические линии связи // Новосибирск: Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики.– 2003.– (Рус).
2. Скляров О. К. Современные волоконно–оптические системы передачи, аппаратура и элементы. – М Солон – Р, 2001.– 240c.
3. Основы оптоэлектроники / Суэмацу Я., Катаока С., Кисино К. и др. Пер. с яп. – М.: Мир, 1998. – 288 с., ил.
4. Заславский К. Е. Волоконная оптика в системах связи и коммутации. Новосибирск, 1999. – 124 с.
5. Иванов А. Б. Волоконная оптика: компоненты, системы передачи, измерения. – М.: Компания САЙРУС СИСТЕМС, 1999. – 672с.
6. Семенов А. С. Интегральная оптика для систем передачи и обработки информации / А. С. Семенов, В. Л. Смирнов, А. В. Шмалько - М.: Радио и связь, 1990. – 224 с.
7. Убайдуллаев Р. Р. Волоконно-оптические сети. – М.: Эко-Трендз, 1998. – 270 с.
8. Андре Жирар. Руководство по технологии и тестированию систем WDM. Пер. англ. под ред. А. М. Бродниковского , Р. Р. Убайдуллаева , А. В. Шмалько. М. : EXFO , 2001 .
9. Гладышевский М.А. Волоконно-оптическая связь: Экономические перспективы использования WDM-технологии // Lightwave Russian Edition. 2004 , № 2 , С. 14 – 19 .