eng
Пассивная архитектура оптических WAN-сетей позволяет повышать пропускную спо-
собность транспортных сетей без увеличения затрат на инфраструктуру. В статье рас-
сматриваются преимущества и недостатки этой архитектуры, изучается изменение подходов к проектированию сетей по сравнению с активной архитектурой.
УДК 621.391.63, DOI: 10.22184/2070-8963.2019.82.5.44.46
собность транспортных сетей без увеличения затрат на инфраструктуру. В статье рас-
сматриваются преимущества и недостатки этой архитектуры, изучается изменение подходов к проектированию сетей по сравнению с активной архитектурой.
УДК 621.391.63, DOI: 10.22184/2070-8963.2019.82.5.44.46
Теги: c-ran filterless optical network filterless optical networks metro-networks metro-сети passive optical networks пассивные оптические сети
Пассивная архитектура оптических WAN позволяет повышать пропускную способность транспортных сетей без увеличения затрат на инфраструктуру. В статье рассматриваются преимущества и недостатки этой архитектуры, изучается изменение подходов к проектированию сетей по сравнению с активной архитектурой.
Введение
Объем передаваемого трафика в городских и региональных metro-сетях быстро растет. Это связано с повсеместным проникновением оптических сетей и ростом потребления пользователями медиаконтента. Кроме того, новое поколение мобильной связи, 5G, предъявляет высокие требования к пропускной способности и задержкам в транспортных backhaul-сетях, а также при использовании централизованной архитектуры C-RAN и в fronthaul-сетях: от централизованного baseband-контроллера до радиомодулей на границе сети.
Операторы связи ищут способы увеличения пропускной способности metro-сетей при сохранении расходов на прежнем уровне. Одно из решений – минимизировать число дорогостоящих ROADM-мультиплексоров в узлах транспортной сети и допустить пассивное распространение сигналов. Это стало возможным благодаря достижениям в области электронной компенсации дисперсии, а также развитию настраиваемых оптических передатчиков и когерентных приемников.
Описанная архитектура была впервые предложена в [1] и называется FON (Filterless Optical Network). Экспериментальное внедрение таких сетей в Европе началось в 2012 году [2].
Концепция
Различия между традиционной архитектурой, основанной на активной коммутации с применением ROADM-мультиплексоров, и новой, filterless-архитектурой, изображены на рис.1 [3]. В сети с пассивной архитектурой сигналы в узлах не фильтруются и передаются дальше после достижения узла-приемника. Во избежание образования циклов и лазерного эффекта сеть делится на деревья, которые выделены на рисунке синим и красным пунктиром.
Активные оптические add-drop-мультиплексоры для разделения каналов с разными длинами волн используют дорогостоящие модули WSS (Wavelength selective switch, частотно-селективный коммутатор), реализованные или на MEMS-технологии (Micro electro mechanical system, микроэлектромеханическая система) или как последовательность оптических интерферометров. Пассивные узлы FON-сети содержат лишь сплиттеры и сумматоры, а прием данных на требуемой длине волны осуществляется методом когерентной демодуляции, что значительно снижает CAPEX. Кроме того, избавление от сложных электрооптических компонентов позволяет повысить надежность оборудования и уменьшить расходы на его обслуживание, а также снизить энергопотребление. Все это снижает расходы на OPEX.
Отсутствие WSS, жестко настроенных на определенную частотную сетку, позволяет реализовать динамическое распределение спектральных ресурсов. Объединяя частотные слоты по 12,5 ГГц, можно выделять каналы разной ширины, в зависимости от запросов пользователя.
Сигнал распространяется пассивно, поэтому не требуется дополнительных усилий для передачи multicast-трафика. Это особенно актуально в metro-сетях в связи с развитием систем кэширования контента на границе сети.
Реализация и компромиссы
Новая архитектура требует разработки новых алгоритмов планирования сетей.
Так как сигналы распространяются беспрепятственно, сеть нужно разделить на отдельные деревья, чтобы не допустить образования циклов и лазерного эффекта. Из множества возможных разбиений топологии нужно выбрать одно, удовлетворяя требованиям связности и запрашиваемой емкости, а также физическим ограничениям на дальность распространения сигналов. Искать решение этой проблемы можно для задачи математического программирования, но пространство решений очень велико, поэтому предлагается использовать эвристические методы [4].
Проблема поиска резервных маршрутов частично решается за счет того, что каждый узел может входить в несколько деревьев, но в общем случае это является отдельной задачей [5]. Из-за отсутствия фильтрации использованную один раз длину волны нельзя использовать повторно внутри одного дерева. Необходимо распределить спектральные ресурсы между парами "передатчик – приемник" так, чтобы все они использовали разные длины волн. Эту задачу опять же можно решить оптимально, но в существующих исследованиях используются эвристические алгоритмы, например табу-поиск [4].
Сигнал, достигнув приемника, не фильтруется и продолжает распространяться по сети, поэтому часть емкости неизбежно теряется. Существует несколько подходов, позволяющих снизить потребление спектральных ресурсов. Во-первых, отказ от жесткой частотной сетки. В работе [6] показано, что это позволило сэкономить до 30% частотных ресурсов. Во-вторых, на входных интерфейсах некоторых узлов могут быть установлены оптические фильтры, позволяющие повторно использовать некоторые длины волн в следующем за этим узлом сегменте сети [7]. В-третьих, активно развиваются оптические программируемые white-box-устройства, в частности пассивные коммутаторы, позволяющие переконфигурировать способы соединения входных и выходных интерфейсов, напрямую или через сплиттеры и сумматоры. В рассмотренных в работе [8] случаях их применение позволило сократить использование спектральных ресурсов на 12%.
Исследование [9] показывает, что, несмотря на неоптимальное использование спектра, применение данной архитектуры позволяет снизить стоимость построения городских и региональных сетей операторов, как транспортных, так и опорных.
Отсутствие фильтрации позволяет свободно распространяться не только сигналам, но и шумам, в частности шумам оптического усилителя (ASE). Это кардинальное отличие от активной архитектуры, в которой для определения отношения "сигнал – шум" (OSNR) нужно учитывать только шумы усилителей на пути от приемника к передатчику.
В описываемой архитектуре на OSNR для данной пары приемника и передатчика может оказывать влияние шум от усилителей в других участках дерева, что требует разработки новой физической модели.
Заключение
Новая архитектура оптических metro-сетей, FON, стала возможна благодаря развитию электронных методов компенсации дисперсии и когерентного приема. Несмотря на неоптимальное использование спектральных ресурсов, она позволяет справляться с повышением нагрузки на сети операторов, снижая расходы на CAPEX и OPEX.
Новая архитектура требует новых подходов к проектированию сетей, для формулировки которых необходимо проведение ряда исследований. Во-первых, требуется построение новой физической модели для оценки значений оптического отношения OSNR на приемнике. Во-вторых, необходимо построить эффективный алгоритм разбиения сети на деревья и распределения спектральных ресурсов. В-третьих, требуется построение алгоритма разбиения сети на деревья с учетом различных методов резервирования.
Наконец, для дальнейшего снижения затрат на построение сети имеет смысл оптимизировать число используемых оптических усилителей.
ЛИТЕРАТУРА
Tremblay C. et al. Filterless Optical Networks: A Unique and Novel Passive WAN Network Solution. Optoelectron. Commun // Conf. OECC 2007. P. 12P-7. Yokohama, Japan, July 9–13 2007.
Gunkel M. et al. Vendor-interoperable elastic optical interfaces: Standards, experiments and challenges // IEEE/OSA J. Opt. Commun. Netw. 2015. V. 7. No. 12. P. B184–B193.
Savoie G. et al. Physical layer validation of filterless optical networks // The 2010 European Conference on Optical Communication (ECOC 2010). P. P 5.08. Turin, Italy, 19–23 September 2010.
Archambault É., Xu Z., Tremblay C. et al. Routing and Spectrum Assignment in Elastic Filterless Optical Networks // IEEE/ACM Transactions On Networking. 2016. V. 24. No. 6.
Xu Z. et al. 1 + 1 dedicated optical-layer protection strategy forfilterless optical networks // IEEE Commun. Lett. 2014. V. 18. No. 1. P. 98–101.
Xu Z., Tremblay C., Archambault É. et al. Flexible Bandwidth Assignment in Filterless Optical Networks // IEEE Commun. Lett. 2015. V. 19. No. 4. P. 565–568.
Khanmohamadi S. et al. Semi-filterless optical network: a cost-efficient passive wide area network solution with effective resource utilization // 2011 Asia Communications and Photonics Conference and Exhibition (ACP). 2011.
Furdek M. et al. Programmable Filterless Network Architecture Based on Optical White Boxes // 20th International Conference on Optical Network Design and Modeling (ONDM 2016), Cartagena, Spain. 9–12 May 2016.
Tremblay C. et al. Agile Optical Networking: Beyond Filtered Solutions // The 2018 Optical Networking and Communication Conference (OFC 2018). Paper M1A.5. 8–12 March 2018.
Введение
Объем передаваемого трафика в городских и региональных metro-сетях быстро растет. Это связано с повсеместным проникновением оптических сетей и ростом потребления пользователями медиаконтента. Кроме того, новое поколение мобильной связи, 5G, предъявляет высокие требования к пропускной способности и задержкам в транспортных backhaul-сетях, а также при использовании централизованной архитектуры C-RAN и в fronthaul-сетях: от централизованного baseband-контроллера до радиомодулей на границе сети.
Операторы связи ищут способы увеличения пропускной способности metro-сетей при сохранении расходов на прежнем уровне. Одно из решений – минимизировать число дорогостоящих ROADM-мультиплексоров в узлах транспортной сети и допустить пассивное распространение сигналов. Это стало возможным благодаря достижениям в области электронной компенсации дисперсии, а также развитию настраиваемых оптических передатчиков и когерентных приемников.
Описанная архитектура была впервые предложена в [1] и называется FON (Filterless Optical Network). Экспериментальное внедрение таких сетей в Европе началось в 2012 году [2].
Концепция
Различия между традиционной архитектурой, основанной на активной коммутации с применением ROADM-мультиплексоров, и новой, filterless-архитектурой, изображены на рис.1 [3]. В сети с пассивной архитектурой сигналы в узлах не фильтруются и передаются дальше после достижения узла-приемника. Во избежание образования циклов и лазерного эффекта сеть делится на деревья, которые выделены на рисунке синим и красным пунктиром.
Активные оптические add-drop-мультиплексоры для разделения каналов с разными длинами волн используют дорогостоящие модули WSS (Wavelength selective switch, частотно-селективный коммутатор), реализованные или на MEMS-технологии (Micro electro mechanical system, микроэлектромеханическая система) или как последовательность оптических интерферометров. Пассивные узлы FON-сети содержат лишь сплиттеры и сумматоры, а прием данных на требуемой длине волны осуществляется методом когерентной демодуляции, что значительно снижает CAPEX. Кроме того, избавление от сложных электрооптических компонентов позволяет повысить надежность оборудования и уменьшить расходы на его обслуживание, а также снизить энергопотребление. Все это снижает расходы на OPEX.
Отсутствие WSS, жестко настроенных на определенную частотную сетку, позволяет реализовать динамическое распределение спектральных ресурсов. Объединяя частотные слоты по 12,5 ГГц, можно выделять каналы разной ширины, в зависимости от запросов пользователя.
Сигнал распространяется пассивно, поэтому не требуется дополнительных усилий для передачи multicast-трафика. Это особенно актуально в metro-сетях в связи с развитием систем кэширования контента на границе сети.
Реализация и компромиссы
Новая архитектура требует разработки новых алгоритмов планирования сетей.
Так как сигналы распространяются беспрепятственно, сеть нужно разделить на отдельные деревья, чтобы не допустить образования циклов и лазерного эффекта. Из множества возможных разбиений топологии нужно выбрать одно, удовлетворяя требованиям связности и запрашиваемой емкости, а также физическим ограничениям на дальность распространения сигналов. Искать решение этой проблемы можно для задачи математического программирования, но пространство решений очень велико, поэтому предлагается использовать эвристические методы [4].
Проблема поиска резервных маршрутов частично решается за счет того, что каждый узел может входить в несколько деревьев, но в общем случае это является отдельной задачей [5]. Из-за отсутствия фильтрации использованную один раз длину волны нельзя использовать повторно внутри одного дерева. Необходимо распределить спектральные ресурсы между парами "передатчик – приемник" так, чтобы все они использовали разные длины волн. Эту задачу опять же можно решить оптимально, но в существующих исследованиях используются эвристические алгоритмы, например табу-поиск [4].
Сигнал, достигнув приемника, не фильтруется и продолжает распространяться по сети, поэтому часть емкости неизбежно теряется. Существует несколько подходов, позволяющих снизить потребление спектральных ресурсов. Во-первых, отказ от жесткой частотной сетки. В работе [6] показано, что это позволило сэкономить до 30% частотных ресурсов. Во-вторых, на входных интерфейсах некоторых узлов могут быть установлены оптические фильтры, позволяющие повторно использовать некоторые длины волн в следующем за этим узлом сегменте сети [7]. В-третьих, активно развиваются оптические программируемые white-box-устройства, в частности пассивные коммутаторы, позволяющие переконфигурировать способы соединения входных и выходных интерфейсов, напрямую или через сплиттеры и сумматоры. В рассмотренных в работе [8] случаях их применение позволило сократить использование спектральных ресурсов на 12%.
Исследование [9] показывает, что, несмотря на неоптимальное использование спектра, применение данной архитектуры позволяет снизить стоимость построения городских и региональных сетей операторов, как транспортных, так и опорных.
Отсутствие фильтрации позволяет свободно распространяться не только сигналам, но и шумам, в частности шумам оптического усилителя (ASE). Это кардинальное отличие от активной архитектуры, в которой для определения отношения "сигнал – шум" (OSNR) нужно учитывать только шумы усилителей на пути от приемника к передатчику.
В описываемой архитектуре на OSNR для данной пары приемника и передатчика может оказывать влияние шум от усилителей в других участках дерева, что требует разработки новой физической модели.
Заключение
Новая архитектура оптических metro-сетей, FON, стала возможна благодаря развитию электронных методов компенсации дисперсии и когерентного приема. Несмотря на неоптимальное использование спектральных ресурсов, она позволяет справляться с повышением нагрузки на сети операторов, снижая расходы на CAPEX и OPEX.
Новая архитектура требует новых подходов к проектированию сетей, для формулировки которых необходимо проведение ряда исследований. Во-первых, требуется построение новой физической модели для оценки значений оптического отношения OSNR на приемнике. Во-вторых, необходимо построить эффективный алгоритм разбиения сети на деревья и распределения спектральных ресурсов. В-третьих, требуется построение алгоритма разбиения сети на деревья с учетом различных методов резервирования.
Наконец, для дальнейшего снижения затрат на построение сети имеет смысл оптимизировать число используемых оптических усилителей.
ЛИТЕРАТУРА
Tremblay C. et al. Filterless Optical Networks: A Unique and Novel Passive WAN Network Solution. Optoelectron. Commun // Conf. OECC 2007. P. 12P-7. Yokohama, Japan, July 9–13 2007.
Gunkel M. et al. Vendor-interoperable elastic optical interfaces: Standards, experiments and challenges // IEEE/OSA J. Opt. Commun. Netw. 2015. V. 7. No. 12. P. B184–B193.
Savoie G. et al. Physical layer validation of filterless optical networks // The 2010 European Conference on Optical Communication (ECOC 2010). P. P 5.08. Turin, Italy, 19–23 September 2010.
Archambault É., Xu Z., Tremblay C. et al. Routing and Spectrum Assignment in Elastic Filterless Optical Networks // IEEE/ACM Transactions On Networking. 2016. V. 24. No. 6.
Xu Z. et al. 1 + 1 dedicated optical-layer protection strategy forfilterless optical networks // IEEE Commun. Lett. 2014. V. 18. No. 1. P. 98–101.
Xu Z., Tremblay C., Archambault É. et al. Flexible Bandwidth Assignment in Filterless Optical Networks // IEEE Commun. Lett. 2015. V. 19. No. 4. P. 565–568.
Khanmohamadi S. et al. Semi-filterless optical network: a cost-efficient passive wide area network solution with effective resource utilization // 2011 Asia Communications and Photonics Conference and Exhibition (ACP). 2011.
Furdek M. et al. Programmable Filterless Network Architecture Based on Optical White Boxes // 20th International Conference on Optical Network Design and Modeling (ONDM 2016), Cartagena, Spain. 9–12 May 2016.
Tremblay C. et al. Agile Optical Networking: Beyond Filtered Solutions // The 2018 Optical Networking and Communication Conference (OFC 2018). Paper M1A.5. 8–12 March 2018.
Отзывы читателей
