Sieci optyczne - technologia WDM

WDM to technologia umożliwiająca przesyłanie różnych sygnałów optycznych za pomocą jednego włókna. Jego zasada jest zasadniczo taka sama, jak zwielokrotnianie z podziałem częstotliwości (FDM). Oznacza to, że kilka sygnałów jest transmitowanych przy użyciu różnych nośnych, zajmując nienakładające się części widma częstotliwości. W przypadku WDM wykorzystywane pasmo widma jest w zakresie 1300 lub 1550 nm, które są dwoma oknami długości fal, w których światłowody mają bardzo małe straty sygnału.

Początkowo każde okno służyło do przesyłania pojedynczego sygnału cyfrowego. Wraz z postępem w zakresie komponentów optycznych, takich jak lasery z rozproszonym sprzężeniem zwrotnym (DFB), wzmacniacze światłowodowe domieszkowane erbem (EDFA) i fotodetektory, wkrótce zdano sobie sprawę, że każde okno nadawcze może w rzeczywistości być wykorzystywane przez kilka sygnałów optycznych, z których każdy zajmuje mała przyczepność całego dostępnego okna długości fali.

W rzeczywistości liczba sygnałów optycznych multipleksowanych w oknie jest ograniczona jedynie dokładnością tych elementów. Dzięki obecnej technologii w jedno włókno można zmultipleksować ponad 100 kanałów optycznych. Technologia ta została wówczas nazwana gęstym WDM (DWDM).

WDM na długich dystansach

W 1995 r. Przewoźnicy długodystansowi w Stanach Zjednoczonych zaczęli wdrażać systemy transmisji WDM typu punkt-punkt w celu zwiększenia przepustowości swoich sieci przy jednoczesnym wykorzystaniu istniejącej infrastruktury światłowodowej. Od tego czasu WDM szturmem podbił również rynek długodystansowych. Technologia WDM pozwala sprostać stale rosnącym wymaganiom w zakresie przepustowości, odkładając jednocześnie wyczerpanie światłowodu i zwiększając elastyczność w zakresie rozbudowy przepustowości.

Najbardziej dominującym czynnikiem jest jednak przewaga kosztowa rozwiązania WDM w porównaniu z konkurencyjnymi rozwiązaniami, takimi jak zwielokrotnianie z podziałem przestrzeni (SDM) lub ulepszone zwielokrotnianie z podziałem czasu (TDM) w celu zwiększenia przepustowości sieci. „Otwarte” rozwiązanie WDM, przedstawione na poniższym rysunku, wykorzystuje transpondery w multiplekserach terminali WDM (TM) i wbudowane wzmacniacze optyczne, które są współdzielone przez kanały o wielu długościach fal.

Transponder jest w istocie konwerterem opto-elektrooptycznym 3R (O / E / O), który konwertuje sygnał optyczny zgodny ze standardem G.957 na kanał o odpowiedniej długości fali (i odwrotnie) podczas ponownego zasilania, przekształcania i ponownego synchronizacji sygnału . Rozwiązanie SDM wykorzystuje wiele par włókien równolegle, z których każda jest wyposażona w regeneratory SDH zamiast wielu długości fal korzystających z tego samego wbudowanego wzmacniacza optycznego. Aktualizacja do wyższych szybkości TDM (np. Z 2,5 Gb / s STM-16 do 10 Gb / s STM-64) jest rozwiązaniem krótkotrwałym, ponieważ zakłócenia transmisji, takie jak dyspersja, nie skalują się dobrze wraz ze wzrostem szybkości TDM, szczególnie w standardowym światłowód jednomodowy.

Studium przypadku wykazało, że dalekosiężne systemy WDM typu punkt-punkt są zdecydowanie bardziej opłacalnym rozwiązaniem niż SDM, nawet w przypadku tak niskich, jak trzech kanałów STM-16. Powyższy rysunek ilustruje dwa porównania kosztów połączeń dla początkowego rdzenia sieci transportowej składającej się z 5000 km włókien o średniej odległości 300 km między dwoma miastami dostępowymi. Należy zauważyć, że punkt odniesienia 100% kosztu na powyższym rysunku odpowiada kosztowi wdrożenia jednego kanału STM-16, w tym kosztowi światłowodu. Z powyższego rysunku można wyciągnąć dwa wnioski.

Jak pokazano na poniższym rysunku, jeśli weźmie się pod uwagę tylko koszty sprzętu do transmisji i regeneracji (tj. Regeneratory SDH w obudowie SDM i WDM TM z transponderami z wbudowanymi wzmacniaczami optycznymi w przypadku WDM), początkowy koszt łącza przy użyciu technologii WDM jest większy niż dwa razy więcej niż SDH. Jednak rozwiązanie WDM jest bardziej opłacalne przy wdrażaniu trzech i więcej kanałów w sieci ze względu na wspólne wykorzystanie wbudowanego wzmacniacza optycznego.

Jak pokazano na poniższym rysunku, jeśli oprócz powyższego rozważa się również koszt światłowodu, przewaga kosztowa przypadku WDM staje się jeszcze bardziej widoczna i zwiększa się wraz ze wzrostem liczby kanałów. Rozwiązanie WDM jest bardziej opłacalne przy wdrażaniu trzech i więcej kanałów w sieci.

WDM na krótkim dystansie

Regeneratory nie są konieczne, a upośledzenie optyczne ma mniejszy wpływ ze względu na ograniczone odległości w sieciach krótkodystansowych, stąd korzyści z WDM są mniej oczywiste niż w przypadku rozwiązań SDM lub ulepszonych TDM. Jednak wyczerpanie włókien i niedrogie komponenty optyczne napędzają obecnie WDM w obszarze metropolitalnym.

Wniosek na krótkich dystansach dotyczy wzajemnych połączeń wielu punktów obecności (POP) w tym samym mieście. Rozważmy przykład. Poniższy rysunek pokazuje, że sieć transportowa ma co najmniej dwa POP na miasto, z którymi klienci mogą się łączyć. Dzięki technikom połączeń dwuwęzłowych, takich jak „upuść i kontynuuj”, sieci klientów mogą być połączone z siecią transportową za pośrednictwem dwóch różnych punktów POP.

Skutkuje to bardzo bezpieczną architekturą, która może nawet przetrwać awarie protokołu POP bez wpływu na ruch. Tak więc przepływ ruchu między dwoma punktami POP w mieście składa się nie tylko z ruchu przechodzącego przez miasto, ale również z ruchu kończącego się w mieście i chronionego za pomocą funkcji Drop and Continue. Te zwiększone wymagania w zakresie przepustowości w obrębie miasta doprowadziły do wprowadzenia WDM na krótkodystansowym odcinku sieci transportowej.

Głównym powodem, dla którego WDM jest preferowany w stosunku do SDM, jest to, że światłowody w mieście muszą być dzierżawione od strony trzeciej lub trzeba zbudować sieć światłowodową. Dzierżawa lub budowa miejskiego włókna światłowodowego to nie tylko kosztowny proces, ale także mniej elastyczne podejście do modernizacji zdolności. W dynamicznym środowisku, w którym rozkłady i wolumeny ruchu szybko się zmieniają, trudno jest przewidzieć z góry ilość dzierżawionych lub zbudowanych światłowodów. Dlatego stosowanie technologii WDM ma wyraźne zalety w zakresie elastyczności, ponieważ kanały długości fal można aktywować w bardzo krótkim czasie.

Chociaż na świecie dostępne są określone systemy WDM na krótkich dystansach, korzystne jest stosowanie tego samego typu systemu WDM w sieci dalekiego zasięgu. Chociaż systemy WDM na krótkich dystansach są tańsze niż ich odpowiedniki na długich dystansach, a ze względu na ich tanie komponenty optyczne mogą być stosowane, prowadzą one do heterogenicznej sieci, co nie jest preferowane z kilku powodów. Po pierwsze, używanie dwóch różnych systemów prowadzi do zwiększonych kosztów operacyjnych i kosztów zarządzania. Na przykład heterogeniczna sieć wymaga więcej części zamiennych do sprzętu niż jednorodna sieć. Po drugie, współdziałanie między dwoma różnymi systemami może stwarzać problemy. Na przykład wąskie gardło może wystąpić, ponieważ krótkodystansowe systemy WDM zazwyczaj obsługują mniej długości fal niż długodystansowe systemy WDM.

Architektury optycznych sieci transportowych

Optyczna sieć transportowa (OTN), jak pokazano na poniższym rysunku, stanowi naturalny kolejny krok w ewolucji sieci transportowych. Z punktu widzenia architektury wysokiego poziomu nie można oczekiwać, że architektury OTN będą się znacznie różnić od architektur SDH. Niemniej jednak fakt, że SDH obejmuje inżynierię sieci cyfrowej, a OTN - inżynierię sieci analogowej, prowadzi do pewnych znaczących, choć subtelnych różnic. Zbadanie tych różnic prowadzi nas do zrozumienia aspektów OTN, które mogą różnić się od ich odpowiedników w SDH.

Ewoluujące architektury WDM OTN (w tym topologie sieciowe i schematy przetrwania) będą bardzo przypominać - jeśli nie lustro - te stosowane w sieciach SDH TDM. Powinno to być jednak zaskakujące, ponieważ zarówno SDH, jak i OTN są połączeniowymi sieciami multipleksowanymi. Główne różnice wynikają z formy technologii multipleksowania: cyfrowy TDM dla SDH vs analogowy WDM dla OTN.

Rozróżnienie między technologią cyfrową a analogową ma głęboki wpływ na podstawowe kompromisy między kosztami a wydajnością w wielu aspektach projektowania sieci OTN i systemu. W szczególności złożoność związana z inżynierią i konserwacją sieci analogowej stanowi większość wyzwań związanych z OTN.

Aby zaspokoić krótkoterminową potrzebę zwiększenia przepustowości, systemy linii punkt-punkt WDM będą nadal wdrażane na dużą skalę. Wraz ze wzrostem liczby długości fal i odległości między końcówkami rośnie potrzeba dodawania i / lub zmniejszania długości fal w miejscach pośrednich. W związku z tym elastyczne, rekonfigurowalne optyczne moduły ADM (OADM) staną się integralnymi elementami sieci WDM.

W miarę rozmieszczania większej liczby fal w sieciach nośnych będzie rosła potrzeba zarządzania przepustowością i przekazywania sygnałów między sieciami na poziomie kanału optycznego. W podobny sposób pojawiły się DXC do zarządzania pojemnością warstwy elektrycznej, pojawią się optyczne połączenia krzyżowe (OXC), które będą zarządzać pojemnością warstwy optycznej.

Początkowo potrzeba zarządzania przepustowością warstwy optycznej będzie najbardziej dotkliwa w środowisku sieci szkieletowej transportu. W tym przypadku logiczna łączność oparta na siatce będzie obsługiwana przez topologie fizyczne, w tym współdzielone pierścienie ochronne oparte na OADM i architektury przywracania siatki oparte na OXC. Wybór będzie zależał od wymaganego przez dostawcę usług stopnia „nadmiernej rozbudowy” przepustowości i wymagań w zakresie przeżywalności.

Ponieważ podobne wymagania dotyczące zarządzania przepustowością pojawiają się w wielkomiejskich środowiskach biurowych i dostępowych, rozwiązania oparte na pierścieniach OADM zostaną również zoptymalizowane pod kątem tych zastosowań: optyczne współdzielone pierścienie ochronne dla wymagań sieci oraz optyczne dedykowane pierścienie ochronne dla potrzeb koncentratorów. W związku z tym, podobnie jak OA była technologią umożliwiającą pojawienie się systemów linii punkt-punkt WDM, OADM i OXC będą umożliwiały pojawienie się OTN.

Ponieważ elementy sieci optycznej przyjmują funkcjonalność warstwy transportowej tradycyjnie zapewnianą przez sprzęt SDH, optyczna warstwa transportowa będzie służyć jako jednocząca warstwa transportowa zdolna do obsługi zarówno starszych, jak i konwergentnych formatów sygnałów sieci rdzeniowej pakietów. Oczywiście ruch dostawcy usług do OTN będzie przewidywany na podstawie transferu funkcjonalności warstwy transportowej „podobnej do SDH” do warstwy optycznej, równolegle z rozwojem filozofii konserwacji i powiązanych funkcji konserwacji sieci dla powstającej optycznej warstwy transportowej.

Przetrwanie ma kluczowe znaczenie dla roli sieci optycznych jako jednoczącej infrastruktury transportowej. Podobnie jak w przypadku wielu innych aspektów architektonicznych, przeżywalność sieci optycznej będzie bardzo podobna do przeżywalności SDH, ponieważ topologie sieci i typy elementów sieci są do siebie bardzo podobne. W warstwie optycznej mechanizmy przetrwania nadal będą zapewniać najszybsze możliwe odzyskiwanie po przecięciu włókien i innych uszkodzeniach nośników fizycznych, a także wydajne i elastyczne zarządzanie wydajnością ochrony.

OTN jest koncepcyjnie analogiczny do SDH, w którym zdefiniowane są podwarstwy odzwierciedlające relacje klient-serwer. Ponieważ zarówno OTN, jak i SDH są połączeniowymi sieciami multipleksowanymi, nie powinno dziwić, że schematy przywracania i ochrony obu są niezwykle podobne. Subtelna, ale ważna różnica jest warta powtórzenia: podczas gdy sieć TDM opiera się na cyfrowej manipulacji szczeliną czasową, sieć OTN / WDM opiera się na analogowej manipulacji szczeliną częstotliwości lub kanałem optycznym (długością fali). Tak więc, chociaż możemy oczekiwać, że podobna architektura ochrony i przywracania będzie możliwa w przypadku obu technologii, rodzaje awarii sieci, które należy uwzględnić w dowolnym konkretnym schemacie przeżywalności, mogą być zupełnie inne.

Żywotność warstwy optycznej

Sieci telekomunikacyjne są zobowiązane do zapewniania niezawodnych nieprzerwanych usług swoim klientom. Ogólne wymagania dotyczące dostępności są rzędu 99,999 procent lub więcej, co oznaczałoby, że sieć nie może działać średnio dłużej niż 6 minut rocznie. W rezultacie żywotność sieci jest głównym czynnikiem wpływającym na sposób projektowania i eksploatacji tych sieci. Sieci muszą być zaprojektowane tak, aby obsługiwały przerwy w łączach lub światłowodach, a także usterki sprzętu.

Sieć można postrzegać jako składającą się z wielu współpracujących ze sobą warstw, jak pokazano na powyższym rysunku. Różni przewoźnicy wybierają różne sposoby realizacji swoich sieci przy użyciu różnych kombinacji strategii warstwowych. Dominujący przewoźnicy korzystają z dużej zainstalowanej bazy sprzętu SDH oraz szerokich możliwości pielęgnacji i monitorowania cyfrowych połączeń krzyżowych.

W przeciwieństwie do tego operator oferujący usługi oparte na protokole internetowym (IP) stara się mieć uproszczoną infrastrukturę sieciową, wykorzystującą protokół IP jako podstawową warstwę transportową bez korzystania z SDH. Przewoźnicy wyróżniający się jakością (i różnorodnością) usług (QOS) mogą wykorzystywać ATM jako technologię transportową. Pod tymi warstwami znajduje się wyłaniająca się optyczna warstwa WDM lub warstwa optyczna.

Warstwa optyczna zapewnia ścieżki światła do wyższych warstw, które można uznać za warstwy klienckie korzystające z usługi świadczonej przez warstwę optyczną. Ścieżki świetlne to rury z komutacją obwodów przenoszące ruch z dość dużą szybkością transmisji (np. 2,5 Gb / s lub 10 Gb / s). Te ścieżki świetlne są zwykle konfigurowane w celu połączenia urządzeń warstwy klienta, takich jak moduły ADM SDH, routery IP lub przełączniki ATM. Po skonfigurowaniu pozostają one dość statyczne w czasie.

Warstwa optyczna składa się z optycznych terminali liniowych (OLT), optycznych modułów ADM (OADM) i optycznych połączeń krzyżowych (OXC), jak pokazano na poniższym rysunku. OLT multipleksują wiele kanałów w jedno włókno lub parę światłowodów. OADM dodają niewielką liczbę kanałów z / do zagregowanego strumienia WDM. OXC przełącza i zarządza dużą liczbą kanałów w lokalizacji węzła o dużym natężeniu ruchu.

Patrzymy na ochronę warstwy optycznej z punktu widzenia usług, pod kątem rodzajów usług, jakie musi zapewnić warstwa optyczna do warstwy wyższej. Następnie porównujemy różne schematy ochrony warstwy optycznej, które zostały zaproponowane pod względem ich kosztu i wydajności przepustowości w oparciu o zestaw usług, które muszą być obsługiwane. Jest to nieco inne rozwiązanie, w przypadku których ochrona warstwy optycznej jest postrzegana jako analogiczna do ochrony warstwy SDH.

Dlaczego ochrona warstwy optycznej?

Warstwy IP, ATM i SDH pokazane na powyższym rysunku zawierają techniki ochrony i przywracania. Chociaż wszystkie te warstwy zostały zaprojektowane do współpracy z innymi warstwami, mogą one również działać bezpośrednio na włóknie, a zatem nie są zależne od innych warstw w zakresie ochrony i odtwarzania. W rezultacie każda z tych warstw posiada własne funkcje ochronne i przywracające. Powstaje zatem pytanie, dlaczego potrzebujemy warstwy optycznej, aby zapewnić własny zestaw mechanizmów ochrony i odbudowy. Oto niektóre z powodów -

Niektóre warstwy działające powyżej warstwy optycznej mogą nie być w stanie w pełni zapewnić wszystkich funkcji ochronnych potrzebnych w sieci. Na przykład warstwa SDH została zaprojektowana w celu zapewnienia kompleksowej ochrony, a zatem nie będzie polegać na ochronie warstwy optycznej. Jednak same techniki ochrony w innych warstwach (IP lub ATM) mogą nie być wystarczające, aby zapewnić odpowiednią dostępność sieci w przypadku wystąpienia usterek.

Obecnie istnieje wiele propozycji eksploatacji warstwy IP bezpośrednio na warstwie optycznej bez stosowania warstwy SDH. Chociaż protokół IP obejmuje odporność na błędy na poziomie routingu, mechanizm ten jest uciążliwy i nie jest wystarczająco szybki, aby zapewnić odpowiednią QOS. W tym przypadku ważne staje się, aby warstwa optyczna zapewniała szybką ochronę, aby spełnić ogólne wymagania dotyczące dostępności z warstwy transportowej.
Większość przewoźników ma ogromne inwestycje w starsze urządzenia, które w ogóle nie zapewniają mechanizmów ochrony, ale nie można ich zignorować. Bezproblemowe wprowadzenie warstwy optycznej między tym sprzętem a włóknem surowym zapewnia niskokosztową modernizację infrastruktury za pomocą długich łączy światłowodowych ze zwiększoną żywotnością.
Aby zapewnić dodatkowy poziom odporności sieci, można zastosować ochronę i odbudowę warstwy optycznej. Na przykład wiele sieci transportowych jest zaprojektowanych tak, aby obsługiwały pojedynczą awarię naraz, ale nie wiele awarii. Przywrócenie optyczne może być wykorzystane w celu zapewnienia odporności na wiele awarii.
Ochrona warstwy optycznej może być skuteczniejsza w przypadku niektórych rodzajów awarii, takich jak przecięcia włókien. Pojedyncze włókno przenosi ruch na wielu długościach fal (np. 16–32 strumienie SDH). Dlatego cięcie włókna powoduje, że wszystkie 16-32 strumieni SDH są niezależnie odtwarzane przez warstwę SDH. System zarządzania siecią jest zalewany dużą liczbą alarmów generowanych przez każdy z tych niezależnych podmiotów. Jeśli cięcie włókna jest przywracane wystarczająco szybko przez warstwę optyczną, można uniknąć tej nieefektywności operacyjnej.
Znaczne oszczędności kosztów można uzyskać, stosując ochronę i przywracanie warstwy optycznej.

Ograniczenia - ochrona warstwy optycznej

Poniżej przedstawiono niektóre ograniczenia ochrony warstwy optycznej.

Nie radzi sobie ze wszystkimi typami usterek w sieci. Na przykład nie radzi sobie z awarią lasera w routerze IP lub ADM SDH podłączonym do sieci optycznej. Ten typ awarii musi być obsługiwany odpowiednio przez warstwę IP lub SDH.
Może nie być w stanie wykryć wszystkich typów błędów w sieci. Ścieżki światła zapewniane przez warstwę optyczną mogą być przezroczyste, tak że przenoszą dane z różnymi szybkościami transmisji. W tym przypadku warstwa optyczna może w rzeczywistości nie wiedzieć, co dokładnie jest przenoszone na tych drogach światła. W rezultacie nie może monitorować ruchu w celu wykrycia degradacji, takich jak zwiększone współczynniki błędów bitowych, które normalnie wywołałyby przełącznik zabezpieczający.
Warstwa optyczna chroni ruch w jednostkach ścieżek świetlnych. Nie może zapewnić różnych poziomów ochrony różnych części ruchu na torze świetlnym (część ruchu może mieć wysoki priorytet, a druga niższy priorytet). Ta funkcja musi być wykonywana przez wyższą warstwę, która obsługuje ruch z tą drobniejszą szczegółowością.
Mogą istnieć ograniczenia budżetowe łącza, które ograniczają zdolność ochrony warstwy optycznej. Na przykład długość trasy ochrony lub liczba węzłów, przez które przechodzi ruch zabezpieczający, może być ograniczona.
Jeśli cała sieć nie jest starannie zaprojektowana, mogą wystąpić sytuacje wyścigu, gdy warstwa optyczna i warstwa klienta będą próbowały jednocześnie chronić ruch przed awarią.
Technologia i techniki ochrony nie zostały jeszcze przetestowane w terenie, dlatego wdrożenie tych nowych mechanizmów ochrony na pełną skalę zajmie kilka lat.

Definicje podmiotów chronionych

Zanim przejdziemy do szczegółów technik ochrony i kompromisów między nimi, warto zdefiniować jednostki, które są chronione przez warstwę optyczną i warstwę klienta. Te jednostki pokazano na poniższym rysunku.

Port sprzętu klienta

Porty na urządzeniu klienckim mogą zawieść. W takim przypadku warstwa optyczna nie może sama chronić warstwy klienta.

Połączenia wewnętrzne między klientem a sprzętem optycznym

Kable wewnątrz obiektu mogą zostać odłączone, głównie z powodu błędów ludzkich. Uważa się to za stosunkowo prawdopodobne wydarzenie. Ponownie, pełną ochronę przed takimi zdarzeniami można zapewnić tylko poprzez połączenie ochrony warstwy klienta i warstwy optycznej.

Karty transponderów

Transpondery to karty interfejsowe między sprzętem klienckim a warstwą optyczną. Karty te konwertują sygnał ze sprzętu klienckiego na długość fali odpowiednią do użytku w sieci optycznej, wykorzystując konwersję optyczną do elektrycznej na optyczną. Dlatego też wskaźnika awaryjności tej karty nie można uznać za znikomy. Biorąc pod uwagę dużą liczbę tych kart w systemie (po jednej na długość fali), konieczne jest ich specjalne zabezpieczenie.

Obiekty zewnętrzne

Ten obiekt światłowodowy między lokalizacjami jest uważany za najmniej niezawodne elementy systemu. Cięcia włókien są dość powszechne. Ta kategoria obejmuje również wzmacniacze optyczne rozmieszczone wzdłuż światłowodu.

Całe węzły

Cały węzeł może ulec awarii z powodu błędów personelu konserwacyjnego (np. Wyzwolenie wyłączników mocy) lub awarii całego obiektu. Awarie na miejscu są stosunkowo rzadkie i zwykle występują z powodu klęsk żywiołowych, takich jak pożary, powodzie lub trzęsienia ziemi. Awarie węzłów mają istotny wpływ na sieć i dlatego nadal wymagają ochrony, mimo stosunkowo niskiego prawdopodobieństwa ich wystąpienia.

Ochrona kontra przywracanie

Protectionjest zdefiniowany jako podstawowy mechanizm służący do radzenia sobie z awarią. Musi być bardzo szybki (zazwyczaj ruch nie powinien być przerywany na dłużej niż 60 ms w przypadku awarii sieci SDH). W rezultacie trasy ochronne zwykle wymagają wcześniejszego zaplanowania, aby ruch drogowy mógł zostać szybko przeniesiony z normalnych tras na trasy ochronne.

Ze względu na wymagania dotyczące szybkości funkcja ta jest zwykle wykonywana w sposób rozproszony przez elementy sieci bez polegania na scentralizowanej jednostce zarządzającej koordynującej działania ochronne. Z wyjątkiem najnowszych (i jeszcze nie sprawdzonych) szybkich schematów ochrony siatki, techniki ochrony wydają się być dość proste i są wdrażane w topologiach liniowych lub pierścieniowych. W końcu wszystkie wykorzystują 100-procentową przepustowość dostępu w sieci.

W przeciwieństwie, restorationnie jest podstawowym mechanizmem służącym do radzenia sobie z awarią. Po zakończeniu funkcji ochrony przywrócenie jest wykorzystywane w celu zapewnienia wydajnych tras lub dodatkowej odporności na dalsze awarie, zanim pierwsza awaria zostanie naprawiona. W rezultacie może pozwolić sobie na dość powolne działanie (czasami sekundy do minut).

Trasy rekonstrukcji nie muszą być wstępnie planowane i mogą być obliczane w locie przez scentralizowany system zarządzania, bez konieczności stosowania funkcji sterowania rozproszonego. W celu zmniejszenia wymaganej nadmiernej przepustowości można zastosować bardziej wyrafinowane algorytmy i można obsługiwać bardziej złożone topologie siatki.

Podwarstwy w warstwie optycznej

Warstwa optyczna składa się z kilku podwarstw. Ochronę i odbudowę można przeprowadzić na tych różnych warstwach. Możemy mieć schematy, które chronią poszczególne ścieżki świetlne lub kanały optyczne. Schematy te radzą sobie z przecinaniem włókien, a także awariami urządzeń końcowych, takich jak lasery lub odbiorniki.

Możemy mieć schematy, które działają na zagregowanym poziomie sygnału, który odpowiada warstwie Optical Multiplex Section (OMS). Schematy te nie rozróżniają różnych ścieżek światła, które są multipleksowane razem, i przywracają je wszystkie jednocześnie, przełączając je jako grupę.

Termin ochrona warstwy ścieżki jest używany do oznaczenia schematów, które działają na poszczególnych kanałach lub ścieżkach światła, a ochrona warstwy linii w celu oznaczenia schematów, które działają w optycznej warstwie sekcji multipleksu. Tabela 1 zawiera porównanie właściwości ścieżek i schematów warstw linii, a tabela 2 i 3 - różne schematy ścieżek i linii.

Tabela 1: Porównanie między ochroną linii a ochroną ścieżki

Kryterium	Ochrona linii	Ochrona ścieżki
Chroni przed	Pomieszczenia biurowe Awarie witryny / węzła	Pomieszczenia biurowe Awarie witryny / węzła Awarie sprzętu
Liczba włókien	Cztery, jeśli używane jest multipleksowanie jednopoziomowe	Dwa
Potrafi obsłużyć awarie / degradację pojedynczej ścieżki	Nie	tak
Obsługuje ruch, którego nie wolno chronić	Nie	tak
Koszt wyposarzenia	Niska	Wysoki
Efektywność przepustowości	Dobre dla ruchu chronionego	Niski dla niezabezpieczonych kanałów

Tabela 2: Porównanie schematów warstw liniowych

Schemat	Chroni przed	Topologia	Ograniczenia / braki	Korzyści dla klienta
Linia 1 + 1	Cięcia liniowe	Punkt-punkt	Potrzebna jest różnorodna droga do ochrony włókien	Najprostszy do wdrożenia i obsługi
Linia 1 + 1	Cięcia liniowe	Punkt-punkt	Potrzebna jest różnorodna droga do ochrony włókien	Obsługa ruchu o niskim priorytecie Mniejsza strata (o ok. 3 dB)
OULSR	Cięcia liniowe Błędy węzłów	Pierścień Metropolitan	Uszkodzenia warstwy optycznej Dalsza utrata mocy występuje z powodu mostkowania sygnałów na poziomie linii	Prosty we wdrożeniu i obsłudze Można to zrobić za pomocą elementów pasywnych (zamiast przełączników optycznych)
OBLSR	Cięcia liniowe Błędy węzłów	Pierścień Metropolitan	Uszkodzenia warstwy optycznej	Ponowne wykorzystanie przepustowości ochrony Obsługa ruchu o niskim priorytecie
Ochrona linii siatki	Cięcia liniowe Błędy węzłów	Każdy	Ograniczone przez uszkodzenia warstwy optycznej Oparty na całkowicie optycznym połączeniu krzyżowym Trudne do zarządzania	Wydajny Niska cena

Tabela 3: Porównanie schematów ścieżek-warstw

Schemat	Chroni przed	Topologia	Ograniczenia / braki	Korzyści dla klienta
Ochrona warstwy klienta	Błędy sprzętu klienta Pomieszczenia biurowe Błędy transpondera Pomieszczenia biurowe Błędy węzłów	Każdy	Wymaga różnorodnych ścieżek w sieci Najdroższy	Najbardziej rozbudowana ochrona
Ochrona sprzętu 1: N.	Błędy transpondera	Liniowy lub pierścieniowy		Bardzo niski koszt Wydajne pasmo
Ścieżka 1 + 1 lub OUPSR	Pomieszczenia biurowe Błędy węzłów	Każdy	Wymaga różnorodnych ścieżek w sieci Zużycie przepustowości	Podobna do ochrony klienta Prosty w opracowaniu i obsłudze
OBPSR	Pomieszczenia biurowe Błędy węzłów	Wirtualny pierścień		Ponowne wykorzystanie przepustowości ochrony Obsługuje ruch o niskim priorytecie
Ochrona ścieżki z siatki	Pomieszczenia biurowe Błędy węzłów	Każdy	Wymaga OXC Bardzo skomplikowane we wdrożeniu i obsłudze	Wysoka wydajność

Fizyczna topologia sieci może być dowolną siatką, przechodzącą przez ścieżki światła między węzłami urządzeń klienckich. Topologia wirtualna z punktu widzenia sprzętu klienta jest ograniczona zgodnie z warstwą klienta (np. Pierścienie dla SDH). 2 Topologia fizyczna to dowolna siatka, podczas gdy topologia wirtualna ścieżek światła to pierścień.

Rozważmy na przykład dwa schematy ochrony pokazane na poniższych rysunkach. Oba te schematy można traktować jako schematy ochrony 1 + 1, to znaczy zarówno rozdzielają sygnał na końcu nadawczym, jak i wybierają lepszą kopię na końcu odbiorczym. Rys. (A) przedstawia ochronę warstwy liniowej 1 + 1, w której zarówno rozdzielanie, jak i selekcja są wykonywane łącznie dla całego sygnału WDM. Rys. (B) przedstawia ochronę warstwy ścieżki 1 + 1, gdzie rozdzielanie i selekcja są wykonywane oddzielnie dla każdej ścieżki światła.

Warstwa liniowa a ochrona warstwy ścieżki

Między tymi dwoma podejściami występują istotne różnice w kosztach i złożoności. Ochrona linii wymaga jednego dodatkowego rozgałęźnika i przełączenia na niezabezpieczony system. Jednak ochrona ścieżki wymaga jednego rozgałęźnika i przełącznika na kanał. Co ważniejsze, ochrona ścieżki zazwyczaj wymaga dwa razy więcej transponderów i dwa razy więcej zasobów multipleksera / demultipleksera niż ochrona linii. Dlatego ochrona ścieżki jest prawie dwa razy droższa niż ochrona linii, jeśli wszystkie kanały mają być chronione. Historia zmienia się jednak, jeśli wszystkie kanały nie muszą być chronione.

Podstawowe programy ochrony

Porównanie schematów ochrony można znaleźć w tabelach -1, 2 i 3. Schematy ochrony warstwy optycznej można sklasyfikować w podobny sposób jak schematy ochrony SDH i można je zaimplementować w warstwie klienta, warstwie ścieżki lub warstwie liniowej .

Ochrona klienta

Prostą opcją jest pozwolić warstwie klienta zadbać o własną ochronę i nie pozwolić warstwie optycznej na jakąkolwiek ochronę. Może tak być w przypadku warstw klienckich SDH. Chociaż jest to proste z punktu widzenia warstwy optycznej, można uzyskać znaczne korzyści kosztowe i oszczędność pasma, wykonując ochronę warstwy optycznej. Chociaż metoda ochrony klienta może obsługiwać sieci klienckie typu punkt-punkt, pierścieniowe lub kratowe, należy zauważyć, że z punktu widzenia sieci optycznej wszystko to przekłada się na obsługę sieci optycznej, ponieważ nawet klient punkt-punkt łącze może obejmować całą optyczną sieć kratową.

W ochronie warstwy klienta ścieżki robocze i ochronne klientów są w pełni zróżnicowane i prowadzone przez warstwę optyczną, dzięki czemu nie ma pojedynczych punktów awarii. Ponadto ścieżki klienta roboczego i klienta ochrony nie powinny być mapowane na różne długości fali przez to samo łącze WDM. Jeśli łącze WDM ulegnie awarii, obie ścieżki zostaną utracone.

Schematy warstw ścieżki

Ochrona ścieżki 1 + 1

Ten schemat wymaga dwóch długości fal w całej sieci, a także dwóch zestawów transponderów na każdym końcu. Po nałożeniu na pierścień, zabezpieczenie to jest również określane jako optyczny jednokierunkowy pierścień z przełączaną ścieżką (OUPSR) lub dedykowany pierścień zabezpieczający OCh (pierścień OCh / DP).

Implementation Notes- Mostkowanie jest zwykle wykonywane przez sprzęgacz optyczny, a wybór za pomocą przełącznika optycznego 1 x 2. Odbiorca może zdecydować o przełączeniu się na ścieżkę rezerwową bez koordynacji ze źródłem.

Dwukierunkowy pierścień przełączania ścieżki

Schemat ten jest luźno oparty na 4-światłowodowym pierścieniu dwukierunkowym przełączania linii (BLSR) SDH i opiera się na wspólnej szerokości pasma ochrony wokół pierścienia. Kiedy działająca ścieżka światła zawiedzie, węzły koordynują i próbują wysłać ruch przez wyznaczoną szerokość pasma ochrony w tym samym kierunku wokół pierścienia (w celu pokonania usterek transpondera). To jest przełącznik zakresu. Jeśli to się nie powiedzie, węzły zapętlają ruch wokół alternatywnej ścieżki wokół pierścienia aż do drugiego końca awarii. Ta czynność to przełącznik pierścieniowy.

Schemat pozwala, aby nienakładające się ścieżki światła korzystały z tej samej szerokości pasma ochrony, o ile nie zawiodły razem. Ten schemat jest również nazywany współdzielonym pierścieniem zabezpieczającym OCh (OCh / SPRing).

Implementation Notes- Ten schemat można zaimplementować w OXC lub za pomocą znacznie mniejszych przełączników w OADM. Przełączniki są potrzebne dla każdego kanału ochrony. Jest podobny do standardu SDH BLSR.

Mesh Path Protection

Schemat ten umożliwia globalną ochronę siatki z bardzo szybkim przełączaniem (w czasie krótszym niż 100 ms) dla każdej uszkodzonej ścieżki światła oddzielnie na ścieżkę rezerwową, współdzieloną przez wiele ścieżek światła, które potencjalnie mogą mieć inną trasę na ścieżkę światła. W przypadku awarii jest ona informowana o wszystkich odpowiednich węzłach, które konfigurują ścieżki zapasowe.

Implementation Notes- Te schematy są wdrażane w OXC. Ze względu na ograniczenia czasowe predefiniowane ścieżki kopii zapasowych są przechowywane w węzłach sieci i są aktywowane na podstawie typów awarii.

Przywracanie ścieżki siatki

W przeciwieństwie do ochrony ścieżki siatki, schemat ten nie ma rygorystycznych ograniczeń czasowych. To urządzenie oblicza alternatywne trasy przy użyciu swojej topologii i przekazuje nowe informacje o konfiguracji do węzłów, które ustawiają te trasy. Węzły nie muszą utrzymywać żadnych informacji n / w.

Implementation Notes - Scentralizowany charakter tego schematu zapewnia bardziej zoptymalizowane trasy ochrony i zmniejsza złożoność wdrażania i konserwacji.

1: Ochrona sprzętu N.

Jednym z najbardziej złożonych (a przez to podatnych na awarie) modułów w typowym terminalu WDM jest transponder. Zabezpieczenie 1: N oznacza zapasowy transponder do przejęcia w przypadku awarii normalnego transpondera.

Implementation Notes- Ten schemat jest zwykle oparty na wyznaczonej chronionej długości fali. W przypadku awarii oba końce muszą przełączać się za pomocą szybkich protokołów sygnalizacyjnych, a nie tak jak APS w SDH.

Schematy warstw linii

Ochrona liniowa 1 + 1

Schemat ten jest oparty na mostkowaniu całego sygnału WDM w masie do pary zróżnicowanych urządzeń. Odbiorca tych obiektów wybiera następnie, który z dwóch sygnałów ma otrzymać.

Ochrona liniowa 1: 1

Ten schemat wymaga konfiguracji podobnej do poprzedniej (tj. Liniowej 1 + 1), jednak sygnał jest przełączany na tor roboczy lub ochronny, ale nie na oba. Chociaż zwiększa to obciążenie koordynacyjne, umożliwia prowadzenie ruchu o niskim priorytecie na ścieżce zapasowej (do czasu, gdy jest to konieczne do ochrony ścieżki roboczej). Oznacza to również mniejsze straty mocy optycznej ze względu na to, że cała energia sygnału kierowana jest na jedną ścieżkę zamiast na dwie.

Implementation Notes- Przełączanie jest zwykle wykonywane za pomocą przełącznika optycznego 1 × 2. Koordynację uzyskuje się dzięki szybkiemu protokołowi sygnalizacyjnemu.

Optyczny jednokierunkowy pierścień przełączający linię (OULSR)

Schemat jest podobny do schematu OUPSR z tym wyjątkiem, że mostkowanie i selekcja sygnału są wykonywane dla zagregowanego sygnału WDM. Pozwala to na bardziej zoptymalizowany projekt, niższe koszty i bardzo różne implementacje.

Implementation Notes- Implementacja tego schematu jest oparta na pasywnych łącznikach, które prowadzą pierścień optyczny do medium rozgłoszeniowego. Zamiast korzystać z OADM, schemat ten opiera się na prostych OLT, z których każdy jest połączony w pierścienie zgodne z ruchem wskazówek zegara i przeciwnie do ruchu wskazówek zegara, więc każda z długości fal jest przesyłana i odbierana na obu światłowodach. W normalnych warunkach łącze jest sztucznie odłączane, co powoduje powstanie liniowej magistrali po ponownym podłączeniu łącza przecinanego światłowodem.

Dwukierunkowy pierścień przełączania linii

Ten schemat jest podobny do schematu OBPSR zarówno pod względem aspektów protokołu, jak i zastosowanych działań zabezpieczających (przełączanie zakresu i pierścienia). Podobnie jak we wszystkich schematach warstwy liniowej, zagregowany sygnał WDM jest przełączany zbiorczo na dedykowane włókno ochronne (wymagające czterech włókien) lub na inne pasmo WDM w jednym włóknie (zezwala na tylko dwa włókna, ale wymaga dwustopniowego schematu multipleksera optycznego ). Ten schemat jest również określany jako wspólny pierścień zabezpieczający OMS (OMS / SPRing).

Implementation Notes- Ponieważ trasa rezerwowa oplata cały pierścień optycznie, mogą być potrzebne optyczne wzmacniacze liniowe wzdłuż ścieżki rezerwowej w celu skompensowania strat. Obwód pierścienia jest również ograniczony innymi wadami optycznymi. Dlatego ta opcja najlepiej pasuje do zastosowań miejskich.

Ochrona / przywracanie siatki siatki

Schemat ten jest oparty na całkowicie optycznych połączeniach krzyżowych, które kierują sygnał WDM z uszkodzonego obiektu na alternatywną trasę iz powrotem na drugi koniec uszkodzonego obiektu.

Implementation Notes - Podobnie jak OBLSR, ten schemat jest ograniczony przez wady optyczne, które mogą pojawić się wzdłuż alternatywnych tras i wymagają starannego projektowania optycznego.

Rozważenie wyboru systemu ochrony

Kryteria, które mogą być wykorzystane przez operatora do wyboru schematów ochrony, które mają być używane w sieci. Na poniższym rysunku przedstawiono uproszczony wykres decyzyjny, przy założeniu, że potrzebne jest zarówno wyposażenie, jak i ochrona linii.

Koszt ochrony

Kolejnym kryterium z punktu widzenia przewoźnika jest koszt systemu w co najmniej dwóch aspektach -

Koszt wyposarzenia
Efektywność przepustowości

Oba zależą od kombinacji usług ruchu, to znaczy od części ruchu, który ma być chroniony przez warstwę optyczną.

Poniższy rysunek przedstawia koszt wyposażenia schematów warstw ścieżek i równoważnych schematów warstw linii jako funkcję natężenia ruchu. Jeśli cały ruch ma być chroniony, schematy warstw ścieżek wymagają około dwukrotnie większego wyposażenia niż schematy warstwy liniowej, ponieważ współdzielenie wspólnych urządzeń jest mniejsze.

Jednak koszt ochrony warstwy ścieżki jest proporcjonalny do liczby kanałów, które mają być chronione, ponieważ każdy kanał wymaga skojarzonego multipleksera / demultipleksera i sprzętu końcowego. W związku z tym koszt ochrony warstwy ścieżki spada, jeśli trzeba chronić mniej kanałów. W przypadku, gdy żadne kanały nie muszą być chronione, schematy warstwy ścieżki będą kosztować mniej więcej tyle samo, co schematy warstwy linii, przy założeniu, że nie zostanie wdrożony żaden dodatkowy wspólny sprzęt.

Historia różni się od punktu widzenia wydajności pasma, jak pokazano na poniższym rysunku. W systemie z ochroną linii przepustowość ochrony jest wykorzystywana do ścieżek świetlnych, które wymagają ochrony, a także do tych, które jej nie wymagają. W systemach ochrony ścieżek ścieżki światła, które nie wymagają ochrony, mogą wykorzystywać szerokość pasma, umożliwiając innym niezabezpieczonym ścieżkom światła wykorzystanie przepustowości, która w przeciwnym razie zostałaby zmarnowana na niepożądaną ochronę.

Wynika z tego, że jeśli duża część ścieżek świetlnych mogłaby pozostać niezabezpieczona, ochrona warstwy ścieżki odzyskuje koszty, obsługując większy ruch roboczy w tej samej sieci niż ochrona w warstwie linii.