Методы увеличения пропускной способности оптоволоконных сетей

Введение

Спрос на более высокие скорости передачи данных и экспоненциальный рост интернет-трафика поставили оптоволоконные сети на передний план развития телекоммуникационной инфраструктуры. Оптическое волокно с его беспрецедентной пропускной способностью и низкими потерями при передаче стало основой глобальной связи, обеспечивая все: от высокоскоростного доступа в Интернет до магистральных соединений мировых центров обработки данных. Однако, поскольку потребление цифровых данных продолжает расти, чему способствуют облачные вычисления, потоковые сервисы и постоянно растущее число подключенных устройств, проблема масштабирования пропускной способности сети для удовлетворения этого спроса становится все более острой. В этой статье исследуются методы повышения пропускной способности оптоволоконных сетей с целью устранения ограничений современных технологий и предложения решений, удовлетворяющих современные требования к данным.

Стремление увеличить пропускную способность оптоволоконных сетей предполагает многогранный подход, включающий достижения в технологиях физического уровня, оптимизацию сетевой архитектуры и инновационные схемы модуляции. В основе этих усилий лежит цель максимизировать объем данных, которые можно передать по одному волокну, тем самым снижая стоимость бита и повышая эффективность сетевых ресурсов. Это предполагает не только более эффективное использование существующей инфраструктуры, но и внедрение новых технологий, которые раздвигают границы того, что возможно в настоящее время.

Материалы и методы

Оптическое волокно, по сравнению с передачей данных по медному проводу, можно рассматривать как зависимость скорости фотонов от скорости электронов. Фотоны движутся со скоростью света, тогда как электроны, используемые в меди, движутся со скоростью менее одного процента от скорости света. Хотя оптоволоконные кабели не достигают скорости света, они всего на 31% медленнее. Кроме того, оптоволокно не имеет ограничения на расстояние в 100 метров, присущего неэкранированной медной витой паре без усилителя. Таким образом, расстояние может составлять от 550 метров для многомодового кабеля со скоростью 10 Гбит / с и до 40 км для одномодового кабеля [1].

Использование термина "пропускная способность" иногда может быть несколько ошибочным, так как он фактически относится к возможности передачи данных. В контексте оптических технологий это различие особенно заметно при сравнении определений для коаксиальных и оптических кабелей. Теоретические оценки спектральной ширины сигнала, который может быть передан через оптическое волокно, демонстрируют значительный потенциал, достигающий от 50 до 300 ГГц на коротких дистанциях. Однако в практических условиях, полоса пропускания системы ограничена множеством факторов, включая длину волны, качество оптики и электроники, а также характеристики коммутационного оборудования и физические свойства волокна.

На графике, представленном на рисунке 1, отражена зависимость полосы пропускания от длины кабеля как в многомодовых, так и в одномодовых волокнах. Видно, что полоса пропускания в одномодовых волокнах существенно превосходит многомодовые аналоги. Последние, как указывает их название, поддерживают прохождение нескольких световых мод, что приводит к увеличению хроматической и модовой дисперсии. Эти виды дисперсии ограничивают пропускную способность многомодовых волокон, что также отражено в стандартах производительности.

Концепция полезной ширины полосы пропускания на конкретной длине кабеля может быть уяснена через расчеты, где произведение полосы пропускания и расстояния делится на реальное расстояние в километрах. Так, для кабеля 50/125 мкм длиной 100 метров, реальная ширина канала может составлять (500 МГц*км) / (1 км) = 5000 МГц. Этот метод расчета позволяет точнее оценить фактическую производительность системы на разных участках.

Рис. 1. Полоса пропускания оптических систем [2]

В контексте проектирования систем разработчики сталкиваются с выбором типа волокна: многомодовое или одномодовое. Многомодовое волокно обычно предпочтительнее благодаря своей низкой стоимости и широкой доступности для подключения к большинству рабочих станций и концентраторов. Однако, его пропускная способность ограничена, что может стать препятствием для будущего масштабирования сети.

С другой стороны, одномодовое волокно, несмотря на свою сравнительно высокую стоимость, предлагает значительно большую пропускную способность, что обеспечивает лучшую долгосрочную перспективу в контексте развития высокоскоростных сетей. Благодаря использованию в передаче данных лазерных диодов вместо светодиодов, одномодовое волокно обладает высокой эффективностью и подходит для использования в современных технологических решениях. Однако, проблемой остается его совместимость с большинством текущего оборудования.

Таким образом, выбор между многомодовым и одномодовым волокном ставит перед системными инженерами задачу балансировки между текущими затратами и потенциальным улучшением производительности, необходимым для поддержки будущих технологий [2].

1. Оптоволокна

Современные телекоммуникационные системы все чаще используют оптические линейные сети для передачи данных, что подтверждается широким распространением таких технологий. Документ ITU-TG.841, разработанный Международным телекоммуникационным союзом, содержит исчерпывающее руководство по классификации и характеристикам структур защиты в сетях с синхронной цифровой иерархией (SDH) и синхронной оптической сетью (SONET). В этом документе подробно рассматривается механизм автоматического восстановления сети через системы мультиплексирования защитных сегментов по схемам 1+1 или 1:N, где основным механизмом обеспечения непрерывности данных является автоматическое переключение на защитные линии.

Рисунок 2 демонстрирует основные принципы работы структуры защиты. Согласно этой схеме, коммуникационные услуги транслируются между двумя элементами сети, А и В, одновременно через основной и защитный каналы. В ситуации, представленной на рис.2(А), система определяет, по какому каналу произойдет прием данных. На дополнительной схеме (В), показан процесс передачи услуг от элемента А к элементу В, где элемент В выбирает рабочий канал для приема данных. (С), иллюстрирует момент возникновения сбоя в рабочем канале, после чего элемент В переключается на защитный канал для обеспечения непрерывности получения услуг от элемента А.

Рис. 2. Принципы работы структуры защиты [4]

Рисунок 3 иллюстрирует структурную схему метода защиты мультиплексированного сегмента типа 1:N, который является ключевым элементом в обеспечении надежности сетевых соединений. В этом подходе услуги транслируются между сетевыми элементами А и В через N рабочих каналов, а также через один защитный канал, который служит как резервный путь или канал для передачи дополнительных услуг, как показано на рисунке 3(А).

Защитный канал играет роль критического компонента системы, поскольку в случае сбоя в любом из рабочих каналов, он автоматически принимает на себя функцию передачи данных, что позволяет поддерживать бесперебойную работу сети. Данный механизм демонстрируется на рисунке 2(В), где изображена передача и прием услуг между элементами А и В, с услугами, распределяемыми по N рабочим каналам, а каждый канал отдельно обслуживает свою часть данных.

Рисунок 3 (С) показывает ситуацию, когда происходит сбой в одном из рабочих каналов (конкретно, рабочем канале №1). В этом случае услуги, которые первоначально передавались через нарушенный канал №1, теперь маршрутизируются через защитный канал. Элемент В сети, соответственно, переключается на защитный канал для восстановления приема данных, обеспечивая тем самым непрерывность сервиса даже при возникновении технических неполадок.

Эта система защиты обеспечивает высокую степень устойчивости сети к отказам и позволяет телекоммуникационным операторам предлагать надежные и эффективные услуги, минимизируя время простоя и потерю данных.

Рис. 3. Метода защиты мультиплексированного сегмента типа 1:N [4]

В текущем контексте развития оптических линейных сетей передачи данных, предложен метод улучшения пропускной способности без прерывания сервисных услуг, состоящий из последовательных шагов:

Шаг 1: инициируется процесс увеличения пропускной способности путем анализа связей оптического волокна между новым элементом сети и двумя соседними элементами в том сегменте, где происходит усиление.

Шаг 2: на основе анализа взаимодействия сервисов оптического волокна на указанном участке настраиваются временные интервалы передачи данных для нового элемента, с последующим распределением услуг.

Шаг 3: осуществляется конфигурация защиты и других сопутствующих настроек для нового элемента в контексте его связей с соседним элементом.

Шаг 4: производится перенаправление передачи услуг с рабочего канала на защитный в увеличиваемом сегменте.

Шаг 5: после проверки успешного перенаправления, рабочий канал оптоволокна реконфигурируется для создания нового активного соединения, включающего новый элемент и два соседних.

Шаг 6: перенаправляют услуги с защитного канала обратно на новый рабочий канал.

Шаг 7: в случае использования защиты мультиплексированного сегмента типа 1:N с N>1, шаги 3-5 повторяются для всех рабочих каналов.

Шаг 8: оптоволокно защитного канала переконфигурируется для включения нового элемента и двух соседних в защитное соединение.

Техническое решение обеспечивает непрерывность услуг даже в случае технических вмешательств в оптоволокно, поскольку услуги заранее перенаправлены на защитный канал. Переконфигурация временных интервалов для нового элемента гарантирует, что после восстановления рабочего канала прерывания в сервисе не возникнет. Таким образом, предложенный процесс не только эффективно повышает пропускную способность сети, но и остается простым и экономически выгодным в реализации [3, 4].

2. Методы увеличения пропускной способности волокна

Для повышения пропускной способности установленных оптических волокон применяются различные технологические решения, включая следующие подходы:

1. Использование мультиплексора с разделением по длине волны (WDM) представляет собой метод, позволяющий передавать множество сигналов на разных длинах волн через одно и то же волокно. Этот подход увеличивает общую пропускную способность волокна, позволяя одновременно транслировать несколько каналов. Однако, важно отметить, что такое мультиплексирование не влияет на соотношение между пропускной способностью и максимальной дистанцией передачи на высоких скоростях передачи данных. Кроме того, стоимость таких мультиплексоров может быть сопоставима с расходами на прокладку новых волоконных кабелей.
2. Разработка и применение специализированного оборудования для увеличения полосы пропускания, такого как кабели с ограниченным модовым спектром. Эти устройства способствуют отбору определенных мод высшего порядка, что приводит к увеличению затухания и расширению полосы пропускания. Перед началом эксплуатации такого оборудования проводится ряд предварительных расчетов для оптимизации баланса между затуханием и пропускной способностью. После этого осуществляется тестирование каждого волокна для проверки соответствия установленным параметрам.

Возможно, какое-нибудь предприятие, уже проложившее большое количество кабеля, будет заинтересовано в увеличении его возможностей, однако для удовлетворения всех потребностей целесообразнее купить соответствующий тип оптического кабеля [6].

Заключение

Улучшение пропускной способности оптоволоконных сетей требует комплексного подхода, включающего как выбор подходящего типа оптического волокна, так и использование передовых технологий мультиплексирования. Одномодовые волокна, хоть и дороже, предоставляют большие возможности для масштабирования сетей благодаря их высокой пропускной способности. Методы, такие как WDM, позволяют максимально эффективно использовать существующую инфраструктуру, увеличивая число передаваемых каналов без дополнительной прокладки кабелей. Новые технологии кабелей с ограниченным модовым спектром также предоставляют возможности для увеличения полосы пропускания при сохранении приемлемого уровня затухания. Эти инновации играют критическую роль в обеспечении надежности и эффективности современных оптоволоконных телекоммуникационных сетей, что способствует устойчивому развитию информационного общества.