Телекоммуникационные системы и сети. Абонентский доступ и технологии локальніх сетей. Том 2  /  Содержание  /  [→] Раздел 1. Принципы устройства и функционирования локальных сетей  /  Тема 1.9. Технология 10 Gigabit Ethernet

Содержание:
  • Вступ
  • [→] Раздел 1. Принципы устройства и функционирования локальных сетей
    • Тема 1.9. Технология 10 Gigabit Ethernet
    • Тема 1.10. Контрольные вопросы и задания

1.9.6 Розвиток технології 100-гігабітного Ethernet

       Дотепер оптичний сигнал спочатку послаблявся для одержання більше низького за рівнем. А потім конвертувався в електричний. Такий підхід дозволяв одержати високу швидкість передачі й знизити втрати, але при цьому зростала ціна передачі даних.

       Фірма Siemens продемонструвала передачу за допомогою тільки електричних процесів в оптичних мережах, коли сигнал з фотодіода приймається й обробляється безпосередньо чипом. У майбутньому системи, подібні розробленої Siemens, повинні викликати інтерес у зв'язку з розвитком стандарту 100 Gigabit Ethernet.

       При розробці 100 Гбіт систем індустрії належало подолати такі технологічні проблеми:

  • розробити схеми модуляції і кодування сигналу, що дозволяють передавати 100Гбіт потоки на достатню дальність в оптичному С-діапазоні (1530-1565 нм);
  • розробити нові оптичні джерела і приймачі укупі з обладнанням оптичної корекції (підсилювачі, компенсатори дисперсії, селективні фільтри і так далі);
  • розробити електронні лінійні карти, Ethernet MAC чіпи і мережеві процесори для потокової обробки пакетних даних на швидкості 100 Гбіт в секунду.

     У міру того, як ширина оптичного імпульсу зменшується, його відносне розширення, що вноситься обома дисперсіями, хроматичної і поляризаційно-модової, проявляється сильніше. Особливо коли передача ведеться на довгі відстані. Сигнал «розмивається» і витягти з нього «0» або «1» не представляється можливим. З ростом бітової швидкості допустимі значення до хроматичної дисперсії знижуються квадратично, а до поляризаційно-модовой лінійно.

     Для прикладу, перехід з 10G на 40G при збереженні кодування NRZ робить допуски більш жорсткими – вимоги до співвідношення сигнал / шум (OSNR) зростають на 6 дБ, до хроматичної дисперсії в 16 разів, а поляризационно-модової в чотири. Загалом, вже при розробці систем передачі на 40 Гбіт / c стало ясно, що від традиційного підходу збільшити швидкість передачі, скоротивши тактовий інтервал, за межами 10 Гбіт / c доведеться відмовитися. Піти іншим шляхом і збільшити ємність системи, додавши нові канали теж не так просто. Якщо знизити крок відстані між ними, то тоді для DWDM, як системи хвильового ущільнення, необхідний захисний інтервал між сусідніми каналами повинен бути не менше, ніж подвійна верхня частота модуляції каналу. Що власне, аналогічно частотному ущільнення радіоканалів.

     Наприклад, згідно з РД 45. 286-2002 при передачі потоків STM-64 ширина спектра на рівні -20 дБ при відстанях між каналами в 50 ГГц складає не більше 30 ГГц, а відхилення центральної частоти допускається в межах ± 5 ГГц. Інакше порушуються захисні інтервали між каналами. Збільшити діапазон спектра і додати нові канали також не завжди, а краще сказати, рідко коли можливо. Смуга спектру в DWDM часто обмежена як мінімум типом застосовуваного посилення.У оптичного зв'язку, прагнучи збільшити віддачу від мереж, вводили посилення романовського розсіювання, регулювали дисперсійні спотворення, впроваджували попередню корекцію помилок (FEC), застосовували поліпшені методи кодування (RZ, CRZ, CSRZ) для модуляції за інтенсивністю, - все це вносило свої корективи у вирішення проблеми, але не вирішувало її в цілому.

       Кардинально перебудовувати кабельну інфраструктуру, щоб всього лише в кілька разів збільшити ємність мережі, задоволення мало. Треба було знайти інше рішення, яке дозволило б як збільшити пропускну здатність мережі, так і зберегти раніше зроблені в неї інвестиції, в тому числі і в існуючу в DWDM сітку оптичних каналів з кроком в 50 ГГц. Тому в подальшому стали широко використовувати методи цифрової обробки сигналів, які ефективно використовуються в радіолокації і радіозв'язку. 

       Серед них виділимо:

  • квадратурну обробку сигналів;
  • когерентне детектування;
  • використання фазових методів кодування сигналів, що передаються;
  • облік поляризаційних відмінностей переданих сигналів.

     Це досить прості рішення, як на передачі так і прийомі, по кільки в системах зв'язку використовується відоме і досить стабільне коливання. Загалом, на шляху розвитку 100GbE виникла потреба в еволюційному кроці. І він був зроблений в поєднанні з когерентним детектуванням. Для визначення фази сигналу його змішують з когерентним і стабільним сигналом - еталоном. В результаті поєднання обох сигналів виникають сплески, які вказують на інтенсивність і фазу сигналу.

       Крім цього, в даний час існують програмно-алгоритмічні процедури розрахунку уявної складової аналітичного сигналу, яка дозволяє уточнити амплітуду, фазу і частоту прийнятого коливання. Укупі з цифровою обробкою і більш складною модуляцією, когерентне детектування дозволило зробити прорив у підвищенні пропускної здатності мереж. Замість включення і виключення лазера, тепер на кожній довжині хвилі для передачі сигналів модулюється фаза і поляризація світла, а цифрова обробка сигналу компенсує більшу частину спотворень.

       Відомо, що при когерентним складенні амплітуда корисного сигналу зростає пропорційно числу накопичень, так як сигнали збігаються по фазі. Шуми ж, завдяки випадкової своєї природи, складаються енергетично, тобто їх амплітуда наростає в залежності від числа накопичень в ступеня 0,5. Даний ефект отримав свого часу великого поширення в радіолокації, щоб при зменшенні потужності випромінювання зберегти дальність виявлення цілі. Загальна схема передачі для швидкості передачі 100 гігабіт / с наведена на рисунку 1.9.8.

Рисунок 1.9.8 – Структурна схема фізичного рівня 100 GbE

       В результаті ряду досліджень в різних областях визначено, що загальний попит на Інтернет зростає приблизно на 40% в рік. Це зростання в основному обумовлений збільшенням трафіку відеосервісів. Зростання трафіку ще більш прискорюється завдяки можливостям доступу в Інтернет з боку мобільних користувачів, оскільки клієнтські програми для перегляду відео встановлюються на всі смартфони і планшетні ПК, забезпечуючи зручність перегляду відеоконтенту через мережу в будь-якому місці і в будь-який час.

     Більш того, мультимедійні та відеофайли мігрують в мережу: вони знаходяться в хмарних сховищах даних типу Microsoft Azure або Apple iCloud, що все частіше призводить до значного обсягу дублювання інформації для забезпечення можливості відновлення даних і підвищення швидкості їх обробки.

      Якісний характер зростання мережевого трафіку від основних факторів показаний на рис. 1.9.9.

Рисунок 1.9.9 – Зростання мережевого трафіку

       Тому оператори повинні бути готові значно збільшити пропускну здатність мереж, скоротивши при цьому капітальні та операційні витрати в перерахунку на 1 Гбіт / с.

       Починати слід з транспортної мережі, яка є основою для інтернет-з'єднань в мережах телекомунікації. Очевидно, що поряд з впровадженням більш великих і потужних транспортних комутаторів необхідно також змінити механізми оптичної передачі даних в мережах DWDM.

       Новий підхід до організації пропускної здатності DWDM-мереж – використання суперканалів – являє собою ефективне вирішення низки проблем, що виникають у зв'язку з ростом інтернет-мереж. Розглянуті принципи передачі та прийому сигналів в оптоволоконних системах передачі широко використовуються при розвитку технології 100 GbE. Але є ряд особливостей на яких зосередимо нашу увагу.

       В першу чергу, стали досить широко використовувати спектральне мультиплексування в поєднанні з фазової, а іноді і амплітудно-фазової, модуляцією.По-друге, це відмова від розробки нового програмно-апаратного фізичного рівня (мережевої карти) для наступної швидкості передачі даних. Розглянемо зазначене більш докладно. Розглянуті вище лінійні системи DWDM на базі транспондерів працювали в режимі фіксованого співвідношення продуктивності клієнтських сервісів і швидкості передачі даних по каналу (наприклад, сервіс 10G міг передаватися тільки по каналу DWDM продуктивністю 10 Гбіт / с).

       Однак існують інноваційні можливості, які забезпечують новий рівень гнучкості - це вибір форматів модуляції за допомогою спеціального програмного забезпечення.

       Ця нова можливість важлива для того, щоб оператори могли використовувати дальність DWDM-мережі (тобто, відстань, на яку можна передати сигнал) з урахуванням базової швидкості передачі даних в оптичної транспортної мережі ( «сіра» продуктивність смуги пропускання), що, в свою чергу, вимагає, щоб згадане вище фіксоване співвідношення було порушено. Для цього необхідно розмічати клієнтські сервіси по продуктивності (менш 10G, 40G, 100G і вище) при будь-якої пропускної спроможності суперканалу за допомогою динамічного подання механізму віртуалізації.

       Суперканали здатні вирішити три фундаментальні завдання:

  • масштабування смуги пропускання без масштабування обсягу експлуатаційних процедур;
  • оптимізація дальності і продуктивності мереж DWDM;
  • підтримка високошвидкісних сервісів наступного покоління.

      Більш того, впровадження технології суперканалів можливо навіть на базі існуючих прийомів проектування мереж DWDM, не чекаючи довгострокового розвитку технологій. Перше завдання суперканалів – продуктивність на рівні 300G, 400G, 500G і навіть 1 Тбіт / c, що дозволяє операторам транспортних мереж забезпечувати відповідність зростаючим потребам, не збільшуючи експлуатаційні витрати. Іншим завданням залишається досягнення даного рівня продуктивності без шкоди для дальності передачі сигналу фактично, балансуючи продуктивністю і дальністю в залежності від програми або оптичного маршруту.

Основна технологія, що дозволяє збільшити пропускну здатність, зберігши дальність передачі сигналу, є функція когерентного детектування - вона дає операторам мереж продуктивністю 40G і 100G можливість істотно підвищити дальність і швидкість передачі. При цьому замість потенційного кодування на фізичному рівні використовується фазова або амплітудно-фазова модуляція, що дозволяє передавати кілька біт даних в одному тактовому інтервалі.

Модуляція – це процес перенесення цифрового сигналу на носій в аналоговій формі - в даному випадку, на промінь світла.

       Досить проста і ефективна форма модуляції використовується в технології локальних мереж протягом останніх десятиліть. Вона заснована на так званому визначенні напрямку інтенсивності модуляції (Intensity Modulation Direction Detection - IMDD), і також називається амплітудною маніпуляцією (On / Off Keying - OOK). Сигнал IMDD кодує один біт інформації (1 або 0) на кожен символ, при цьому кожен символ являє собою один часовий цикл. Ця технологія дуже проста у впровадженні та використовує дуже незначну кількість оптичних компонентів.  Оптичне волокно є чудовим матеріалом, в якому світло може проходити сотні і тисячі кілометрів, але недоліки оптоволокну (такі як загасання хвиль і сигналів, хроматична дисперсія (CD), поляризаційна дисперсія (PMD), відносна втрата поляризації (PDL) і нелінійність) також повинні враховуватися при проектуванні мережі. Хоча технологія IMDD і проста у впровадженні, існують дві проблеми.

       По-перше, половина переданої потужності доводиться на несучу, яка не містить інформації. Це веде до втрат в 3 дБ у співвідношенні сигнал/перешкода (SNR).По-друге, приймач IMDD працює нелінійно відповідно до принципу квадратичного детектування, що призводить до крайньої неефективності електронної компенсації лінійних обмежень (CD і PMD). Відзначимо, що CD являє собою функцію передачі всіх частот в параболічної фазі по відношенню до частоти, і, отже, пропорційна квадрату швидкості передачі символу. Спотворення PMD пропорційні самої швидкості передачі сигналу.Таким чином, сигнал IMDD на 100G (в десять разів швидше 10G IMDD) фактично стикається з більш значущими обмеженнями, оскільки дуже складно знизити ефект PMD і залишкової CD.

       В цілому, саме з цієї причини сигнал 10G IMD залишається найбільш широко використовуваним в галузі протягом більше ніж десяти років. Підходом до вирішення вищеописаних проблем став перехід на технології модуляції, які дозволяють передавати безліч бітів на символ (див. рис. 1.9.10).

       Оскільки кожен символ являє собою один часовий цикл, то чим більше бітів припадає на такий цикл, тим більша кількість даних може бути передано одночасно.

Рисунок 1.9.10 – Квадратурна фазова маніпуляція з використанням поляризації

       Квадратурна фазова маніпуляція з використанням подвійної поляризації (PM-QPSK, також відома під абревіатурою DP-QPSK) дозволяє переносити 4 біта на один символ (по два на кожну поляризацію).

       Так значно знижується негативний ефект від обмежень оптоволокна в порівнянні з використанням сигналу IMDD, оскільки останній довелося б передавати в чотири рази швидше з тим, щоб відіслати таку ж кількість даних.

       У той же час, при когерентним детектуванні, коли локальний синхронізуючий лазер використовується для «настройки» ресивера на точний сигнал, досягається набагато більш висока чутливість і можливість ефективно гасити шуми від суміжних несучих. Крім того, когерентне детектування - це лінійний процес і, відповідно, всі лінійні обмеження можуть бути скориговані з використанням алгоритмів DSP.PM-QPSK кодує чотири біта на символ, що в чотири рази більше, ніж при використанні традиційної модуляції IMDD.

       Комбінація такої ефективності кодування, когерентного детектування і технології упереджуваної корекції помилок з великим коефіцієнтом посилення (FEC) дозволяє сигналу на 100G мати таку ж, або навіть більшу дальність, як і у сигналу IMDD на 10G.

       Так чому б не перейти на модуляцію більш високого порядку, таку як 8QAM, 16QAM або 32QAM? Сьогодні ці алгоритми широко використовуються (при набагато більш низьких швидкостях передачі даних) в Wi-Fi, кабельних модемах і xDSL. Крім того, перехід з PM-QPSK на PM-16QAM вдвічі знизить вимоги до швидкості електроніки (в бод) і наблизить час, коли стане можливим практичне впровадження цієї технології. Модуляція більш високого порядку стала корисним інструментом, що дозволяє операторам оптимізувати загальну спектральну ефективність на певних маршрутах. Однак недоліком цього підходу є більш низька дальність передачі сигналу.

       Рисунок 1.9.11 являє собою ілюстрацію частини проблеми. Показані чотири види модуляції, яки найбільш часто зустрічаються: BPSK, QPSK, 8QAM і 16QAM.

Рисунок 1.9.11 – Види модуляції, які найбільш часто зустрічаються

       Пара жовтих кіл є кодовані біти даних – і чим більше таких жовтих кіл розміщується всередині чорних кіл, тим менше оптичної потужності є на 1 біт даних.

       На рис. 1.9.11 якісно показано, що додавання більшої кількості бітів на символ збільшує спектральну ефективність. При цьому загальна потужність на символ (до досягнення нелінійного порога) представлена на цьому рисунку у вигляді чорного кола. Звернемо увагу на чорні кола. З рисунка ясно, що площа цих кіл є максимальний рівень оптичної потужності на один символ. Якщо рівень потужності перевищує нелінійний поріг даного оптоволоконного каналу, то рівень втрати оптичного сигналу швидко збільшується.

       У таблиці 1.9.4 те ж саме показано у вигляді цифр. Простіше кажучи, технологія модуляції типу 16QAM може обмежено використовуватися в регіональних мережах.

Таблиця 1.9.4Співвідношення дальність сигналу/загальна пропускна здатність в розрізі ряду різних типів модуляції

Модуляція Дальність (км) Продуктивність в діапазоні С (Роздільний спектр) Продуктивність в діапазоні С (гнучка схема частот)
PM-BPSK 5000 4 Тбіт/с 5 Тбіт/с
PM-QPSK 3000 8 Тбіт/с 10 Тбіт/с
PM-8QAM 1500 12 Тбіт/с 15 Тбіт/с
PM-16QAM 700 16 Тбіт/с 20 Тбіт/с
PM-32QAM 350 24 Тбіт/с 30 Тбіт/с
PM-64QAM 175 32 Тбіт/с 140 Тбіт/с

       На жаль, модуляція більш високого порядку сама по собі не є рішенням для забезпечення пропускної здатності на рівні терабіт, як і не існує єдино правильного типу модуляції для кожного маршруту.

       Цей висновок підкреслює необхідність у впровадженні каналів зв'язку на основі декількох несучих, які застосовують модуляцію FlexCoherent.

       Тепер пояснимо роль мультиплексування (декількох несучих) в розвитку систем передачі понад 100 GbE.

DWDM (мультиплексування з поділом по довжині хвилі, роздільний спектр) - це технологія, яка дозволяє паралельно використовувати декілька оптичних несучих для паралельної передачі даних в одному оптоволоконному каналі.


       Таким чином, забезпечується більш ефективне використання інфраструктури дорогих оптоволоконних мереж, дальність яких сягає тисячі кілометрів і проходить як по землі, так і над нею. Багато представників індустрії вважали, що галузевим «золотим стандартом» в мережах DWDM на 2012-2013 роки був 100G. Однак зростання попиту на Інтернет вимагає масштабування (збільшення) пропускної здатності без зміни експлуатаційної складності і відповідних витрат. Тут же слід зауважити, що для скорочення експлуатаційних витрат був розроблений програмно-апаратний комплекс фізичного рівня. Цей комплекс забезпечував заданий вид модуляції сигналу і необхідне число несучих за запитом користувача, який ставив в якості вихідних даних необхідну швидкість і дальність передачі. Управління цим комплексом покладається на оператора системи передачі. Таким чином, інтерфейси з боку лінії зв'язку і з боку клієнтського обладнання повинні бути не пов'язані один з одним або віртуалізовані.

       В даний час спостерігається тенденція до того, що продуктивність на рівні 400 Гбіт / c буде прийнята як наступний галузевий стандарт швидкості передачі даних щодо транспортної мережі, оскільки, як вважають багато представників галузі, саме 400 GbE – такий стандарт мереж Ethernet. Вкрай важливо, щоб стандарт був заданий гнучким, так як 400 Гбіт / с при заміні програмним способом модуляції 16 QAM на модуляцію QPSK миттєво перетворюються в 200 Гбіт / с.

       У серпні 2011 р був створений перший суперканал на 500G компанією Infinera спільно з SEACOM. Компанія SEACOM, провідний панафріканскій оператор комунікаційних послуг. Ці компанії провели випробування суперканалу на 500G (5 підканалів 100G PM-QPSK) в Південній Африці. Мережа протяжністю 1 732 км з'єднала Йоганнесбург і Мтунзіні в регіоні Квазулу Натал. Крім того, були наочно показані гідності FlexCoherent і можливість перемикання між типами модуляції PM-QPSK і PM-BPSK. У жовтні 2011 р був реалізований зв'язок через Тихий океан (PC-1).

       Відомо, що найбільш складні маршрути оптичних волоконних мереж пролягають під водою, а найскладніший маршрут - це з'єднання, що проходить під Тихим океаном. Випробування мережі PC-1 протяжністю 9 500 км між Японією і Каліфорнією не тільки довели, що технології компанії Infinera дозволяють проводити маршрути під Тихим океаном з модуляцією FlexCoherent (з SD-FEC) на 100G PM-BPSK, а й продемонстрували гідності віртуалізації пропускної здатності, в разі, коли клієнтські сервіси 100GbE передаються по каналах на 40G PM-PQSK.

       У листопаді 2011 року компанія TeliaSonera International Carrier успішно завершила прокладку першої в світі терабітних оптичної мережі передачі даних на основі двох суперканалів на 500 Гбіт / с. Предметом пробного впровадження стала мережа протяжністю 1 105 кілометрів між містами Лос-Анджелeс і Сан Хосе (штат Каліфорнія).

       Оптоволокно до цього моменту вже було в комерційній доступності, і крім терабітної пропускної здатності суперканалу, на маршруті протестована можливість передачі IMDD-трафіку 10G зі швидкістю 300 Гбіт / с. Це доводить, що суперканал з розділеним спектром дуже ефективно працює при передачі IMDD-трафіку.

       Таким чином, викладене вище, показує ефективність використання технології Ethernet і в глобальних мережах.