Оптические сети — технология WDM

WDM — это технология, которая позволяет передавать различные оптические сигналы по одному волокну. Его принцип, по сути, такой же, как мультиплексирование с частотным разделением (FDM). То есть несколько сигналов передаются с использованием разных несущих, занимающих неперекрывающиеся части частотного спектра. В случае WDM используемая полоса спектра находится в области 1300 или 1550 нм, которые представляют собой окна с двумя длинами волн, в которых оптические волокна имеют очень низкую потерю сигнала.

Первоначально каждое окно использовалось для передачи одного цифрового сигнала. С развитием оптических компонентов, таких как лазеры с распределенной обратной связью (DFB), волоконные усилители на основе эрбия (EDFA) и фотодетекторы, вскоре стало понятно, что каждое передающее окно может фактически использоваться несколькими оптическими сигналами, каждый из которых занимает небольшая тяга доступного окна общей длины волны.

Фактически, количество оптических сигналов, мультиплексированных в окне, ограничено только точностью этих компонентов. Благодаря современной технологии более 100 оптических каналов могут быть объединены в одно волокно. Технология была тогда названа плотной WDM (DWDM).

WDM на дальние расстояния

В 1995 году операторы дальней связи в Соединенных Штатах начали развертывание систем передачи WDM от точки к точке, чтобы повысить пропускную способность своих сетей, одновременно используя существующие оптоволоконные инфраструктуры. С тех пор WDM штурмом захватил рынок дальней связи. Технология WDM позволяет справляться с постоянно растущими требованиями к емкости, откладывая истощение оптоволокна и повышая гибкость при обновлении емкости.

Однако наиболее распространенным фактором является экономическое преимущество решения WDM по сравнению с конкурирующими решениями, такими как мультиплексирование с пространственным разделением (SDM) или расширенное мультиплексирование с временным разделением (TDM), для повышения пропускной способности сети. «Открытое» решение WDM, показанное на следующем рисунке, использует транспондеры в оконечных мультиплексорах (TM) терминала WDM и встроенные оптические усилители, которые совместно используются каналами с несколькими длинами волн.

Транспондер, по сути, представляет собой оптоэлектрооптический (O / E / O) преобразователь 3R, который преобразует оптический сигнал, соответствующий стандарту G.957, в соответствующий канал длины волны (и наоборот), в то же время повторно запитывая, изменяя форму и уменьшая электрическую мощность сигнала. , В решении SDM используются несколько пар волокон параллельно, каждая из которых оснащена регенераторами SDH вместо нескольких длин волн, использующих один и тот же встроенный оптический усилитель. Обновление до более высоких скоростей TDM (например, от 2,5 Гбит / с STM-16 до 10 Гбит / с STM-64) является лишь кратковременным решением, поскольку ухудшение передачи, такое как дисперсия, плохо масштабируется при увеличении скоростей TDM, особенно на стандартных одномодовое волокно.

Тематическое исследование продемонстрировало, что двухточечные системы WDM на большие расстояния, безусловно, являются более экономичным решением, чем SDM, даже для трех каналов STM-16. На приведенном выше рисунке показано сравнение стоимости двух линий связи для начального ядра транспортной сети, состоящей из 5000 волоконно-км, со средним расстоянием 300 км между двумя городами доступа. Обратите внимание, что эталонная точка 100-процентной стоимости на приведенном выше рисунке соответствует стоимости развертывания одного канала STM-16, включая стоимость оптоволокна. Из приведенного выше рисунка можно сделать два вывода.

Как показано на следующем рисунке, если учитываются только затраты на оборудование для передачи и регенерации (т. Е. Регенераторы SDH в случае SDM и модули WDM TM с транспондерами со встроенными оптическими усилителями в случае WDM), начальная стоимость соединения с использованием технологии WDM больше чем вдвое больше, чем у SDH. Однако решение WDM является более экономичным для развертывания трех каналов и более в сети из-за совместного использования встроенного оптического усилителя.

Как показано на следующем рисунке, если в дополнение к вышеупомянутому рассмотрению также учитывается стоимость оптоволокна, экономическое преимущество случая WDM становится еще более очевидным и усиливается по мере увеличения количества каналов. Решение WDM является более экономичным для развертывания трех каналов и более в сети.

WDM на короткой дистанции

Регенераторы не нужны, и оптические искажения оказывают меньшее влияние из-за ограниченных расстояний в сетях ближней связи, поэтому преимущества WDM менее очевидны, чем преимущества SDM или усовершенствованных решений TDM. Тем не менее, истощение волокон и недорогие оптические компоненты в настоящее время движут WDM в столичном регионе.

Приложение краткосрочной связи связано с соединением нескольких точек присутствия (POP) в одном городе. Давайте рассмотрим пример. На следующем рисунке показано, что транспортная сеть имеет как минимум два POP на город, где клиенты могут соединяться. С помощью методов соединения двух узлов, таких как отбрасывание и продолжение, сети клиентов могут быть связаны с транспортной сетью через два разных POP.

Это приводит к очень безопасной архитектуре, которая может даже выдерживать сбои POP без какого-либо влияния на трафик. Таким образом, поток трафика между двумя POP в городе состоит не только из трафика, проходящего через город, но также из трафика, который прекращается в городе и защищается с помощью Drop и Continue. Эти повышенные внутригородские требования к пропускной способности привели к развертыванию WDM в ближнем участке транспортной сети.

Основная причина, по которой WDM предпочтительнее SDM, заключается в том, что волокна в городе должны быть арендованы у третьей стороны, или должна быть построена волоконно-оптическая сеть. Лизинг или строительство городских сетей — это не только дорогостоящий процесс, но и менее гибкий подход к модернизации мощностей. В динамичной среде, где распределение трафика и объемы быстро меняются, количество волокна, которое будет арендовано или построено, сложно предсказать заранее. Следовательно, использование технологии WDM имеет явные преимущества в гибкости, поскольку каналы длины волны могут быть активированы за очень короткое время.

Несмотря на то, что в мире существуют специальные системы WDM ближней связи, выгодно использовать систему WDM того же типа для своей сети дальней связи. Хотя системы WDM на короткие расстояния дешевле, чем их дальние аналоги, и из-за их недорогих оптических компонентов они могут привести к гетерогенной сети, что не является предпочтительным по нескольким причинам. Во-первых, использование двух разных систем приводит к увеличению эксплуатационных и управленческих расходов. Например, гетерогенная сеть требует больше запасных частей оборудования, чем однородная сеть. Во-вторых, взаимодействие между двумя различными системами может создавать проблемы. Например, узкое место может возникнуть из-за того, что системы WDM на короткие расстояния обычно поддерживают меньшее количество длин волн, чем системы WDM на большие расстояния.

Архитектура оптических транспортных сетей

Оптические транспортные сети (OTN), как показано на следующем рисунке, представляют собой естественный следующий шаг в развитии транспортных сетей. С точки зрения архитектуры высокого уровня, не следует ожидать, что архитектуры OTN будут существенно отличаться от архитектур SDH. Тем не менее, тот факт, что SDH включает в себя проектирование цифровых сетей, а OTN — проектирование аналоговых сетей, приводит к некоторым существенным, хотя и тонким различиям. Изучение этих различий приводит нас к пониманию аспектов OTN, которые могут отличаться от их аналогов в SDH.

Развивающиеся архитектуры WDM OTN (включая топологии сетей и схемы живучести) будут очень похожи — если не зеркальны — на сети SDH TDM. Это должно удивлять, однако, поскольку и SDH, и OTN являются мультиплексированными сетями с установлением соединения. Основные отличия связаны с формой технологии мультиплексирования: цифровой TDM для SDH и аналоговый WDM для OTN.

Цифровое и аналоговое различие оказывает глубокое влияние на фундаментальные компромиссы цена / производительность во многих аспектах проектирования сетей и систем OTN. В частности, сложности, связанные с проектированием и обслуживанием аналоговых сетей, объясняют большинство проблем, связанных с OTN.

Чтобы удовлетворить кратковременную потребность в увеличении емкости, двухточечные системы WDM будут продолжать развертываться в больших масштабах. По мере того как количество длин волн и расстояние между терминалами растут, возникает растущая необходимость добавлять и / или отбрасывать длины волн в промежуточных точках. Следовательно, гибкие реконфигурируемые оптические ADM (OADM) станут неотъемлемыми элементами сетей WDM.

Поскольку в несущих сетях развернуто больше длин волн, возникнет необходимость в управлении емкостью и сигналами переключения между сетями на уровне оптических каналов. Во многом таким же образом появились DXC для управления емкостью на электрическом уровне, а оптические перекрестные соединения (OXC) появятся для управления емкостью на оптическом уровне.

Первоначально потребность в управлении полосой пропускания оптического уровня будет наиболее острой в среде базовой транспортной сети. Здесь логическое связывание на основе ячеек будет поддерживаться с помощью физических топологий, включая общие защитные кольца на основе OADM и архитектуры восстановления ячеек на основе OXC. Выбор будет зависеть от желаемой степени провайдера услуг по пропускной способности «сверхкомпоновки» и требований шкалы времени живучести.

По мере появления аналогичных требований к управлению полосой пропускания для городских сетей между офисами и средами доступа решения на основе колец OADM также будут оптимизированы для этих приложений: оптические совместно используемые защитные кольца для требований к сетке и оптические выделенные защитные кольца для требований к концентратору. Следовательно, точно так же, как OA был технологическим фактором, обеспечивающим появление двухточечных линейных систем WDM, OADM и OXC будут инициаторами появления OTN.

Поскольку элементы оптической сети предполагают функциональность транспортного уровня, традиционно предоставляемую оборудованием SDH, оптический транспортный уровень станет служить объединяющим транспортным уровнем, способным поддерживать как унаследованные, так и конвергентные форматы сигналов базовой сети с пакетной коммутацией. Конечно, переход поставщика услуг к OTN будет прогнозироваться при передаче функциональности транспортного уровня, подобного SDH, на оптический уровень, одновременно с разработкой философии обслуживания и связанных с ней функций обслуживания сети для появляющегося оптического транспортного уровня.

Выживаемость является центральной ролью оптических сетей как объединяющей транспортной инфраструктуры. Как и во многих других архитектурных аспектах, живучесть оптической сети будет иметь высокое сходство с живучестью SDH, поскольку топологии сети и типы сетевых элементов очень похожи. Внутри оптического уровня механизмы живучести будут по-прежнему предлагать максимально быстрое восстановление после обрывов волокна и других сбоев физических сред, а также обеспечивать эффективное и гибкое управление защитной емкостью.

OTN концептуально аналогичен SDH в том смысле, что определены подуровни, которые отражают отношения клиент-сервер. Поскольку OTN и SDH являются мультиплексированными сетями, ориентированными на установление соединения, не должно вызывать удивления тот факт, что схемы восстановления и защиты для них удивительно похожи. Тонкое, но важное различие стоит повторить: в то время как сеть TDM основана на манипулировании цифровыми временными интервалами, сеть OTN / WDM основана на манипулировании аналоговым частотным интервалом или оптическим каналом (длиной волны). Таким образом, хотя мы можем ожидать, что аналогичные архитектуры защиты и восстановления будут возможны в обеих технологиях, типы сбоев сети, которые необходимо учитывать в любой конкретной схеме живучести, могут быть совершенно разными.

Оптическая живучесть слоя

Телекоммуникационные сети обязаны обеспечивать надежное бесперебойное обслуживание своих клиентов. Общие требования к доступности составляют порядка 99,999% или выше, что подразумевает, что сеть не может быть отключена в среднем более 6 минут в год. В результате живучесть сети является основным фактором, который влияет на то, как эти сети спроектированы и эксплуатируются. Сети должны быть спроектированы так, чтобы справляться с перебоями в линии или оптоволоконном кабеле, а также с отказами оборудования

Сеть может рассматриваться как состоящая из множества уровней, взаимодействующих друг с другом, как показано на приведенном выше рисунке. Разные операторы выбирают разные способы реализации своих сетей, используя разные комбинации многоуровневых стратегий. Нынешние операторы используют свою большую установленную базу SDH-оборудования и широкие возможности по обработке и контролю цифровых кроссовых соединений.

Напротив, оператор, предлагающий услуги на основе протокола Интернет (IP), стремится иметь упрощенную сетевую инфраструктуру, использующую IP в качестве базового транспортного уровня без использования SDH. Операторы, отличающиеся по качеству (и разнообразию) услуг (QOS), могут использовать ATM в качестве своей транспортной технологии. Под этими слоями находится формирующийся оптический слой WDM или оптический слой.

Оптический уровень обеспечивает пути света к более высоким уровням, которые могут рассматриваться как клиентские уровни, которые используют услугу, предоставляемую оптическим уровнем. Световые пути представляют собой каналы с коммутацией каналов, по которым передается трафик с довольно высокими скоростями передачи (например, 2,5 Гбит / с или 10 Гбит / с). Эти световые пути обычно устанавливаются для соединения оборудования клиентского уровня, такого как ADM SDH, IP-маршрутизаторы или коммутаторы ATM. Как только они настроены, они остаются довольно статичными с течением времени.

Оптический слой состоит из оптических линейных терминалов (OLT), оптических ADM (OADM) и оптических перекрестных соединений (OXC), как показано на следующем рисунке. OLT объединяет несколько каналов в одну пару волокон. OADM отбрасывают и добавляют небольшое количество каналов из / в совокупный поток WDM. OXC переключает и управляет большим количеством каналов в узле с высоким трафиком.

Мы рассматриваем защиту оптического уровня с точки зрения услуг с точки зрения типов услуг, которые должны быть предоставлены оптическим уровнем более высокому уровню. Затем мы сравниваем различные схемы защиты оптического уровня, которые были предложены с точки зрения их стоимости и эффективности использования полосы пропускания на основе набора услуг, который должен поддерживаться. Это несколько отличается, так как защита оптического уровня, как правило, рассматривается как защита уровня SDH.

Почему защита оптического слоя?

Уровни IP, ATM и SDH, показанные на рисунке выше, включают в себя методы защиты и восстановления. Хотя все эти слои были разработаны для работы с другими слоями, они также могут работать напрямую по оптоволокну и, таким образом, не зависят от других слоев для выполнения функций защиты и восстановления. В результате каждый из этих слоев имеет свои собственные функции защиты и восстановления. Таким образом, возникает вопрос, зачем нам оптический слой для обеспечения собственного набора механизмов защиты и восстановления. Ниже приведены некоторые из причин —

• Некоторые из уровней, работающих над оптическим слоем, могут не полностью обеспечивать все функции защиты, необходимые в сети. Например, уровень SDH был разработан для обеспечения комплексной защиты и, следовательно, не будет зависеть от защиты оптического уровня. Однако методов защиты на других уровнях (IP или ATM) самих по себе может быть недостаточно для обеспечения адекватной доступности сети при наличии неисправностей.

  В настоящее время существует много предложений по управлению уровнем IP непосредственно над оптическим уровнем без использования уровня SDH. Хотя IP включает отказоустойчивость на уровне маршрутизации, этот механизм громоздок и недостаточно быстр, чтобы обеспечить адекватное качество обслуживания. В этом случае для оптического уровня становится важным обеспечить быструю защиту для удовлетворения общих требований доступности от транспортного уровня.

• Большинство перевозчиков вкладывают огромные средства в устаревшее оборудование, которое вообще не обеспечивает механизмов защиты, но его нельзя игнорировать. Плавное введение оптического слоя между этим оборудованием и необработанным волокном обеспечивает недорогую модернизацию инфраструктуры по длинным оптоволоконным каналам с повышенной живучестью.

• Защита и восстановление оптического уровня могут использоваться для обеспечения дополнительного уровня устойчивости в сети. Например, многие транспортные сети предназначены для обработки одного сбоя за раз, но не множественных отказов. Оптическое восстановление можно использовать для обеспечения устойчивости к множественным сбоям.

• Защита оптического слоя может быть более эффективной при обработке определенных типов отказов, таких как срезы волокон. Одно волокно несет множество длин волн трафика (например, 16-32 потоков SDH). Следовательно, отсечение волокна приводит к тому, что все 16-32 из этих потоков SDH независимо восстанавливаются слоем SDH. Система управления сетью заполнена большим количеством аварийных сигналов, генерируемых каждым из этих независимых объектов. Если оптический слой восстанавливает срез волокна достаточно быстро, этой эксплуатационной неэффективности можно избежать.

• Значительная экономия может быть достигнута за счет использования защиты и восстановления оптического слоя.

Некоторые из уровней, работающих над оптическим слоем, могут не полностью обеспечивать все функции защиты, необходимые в сети. Например, уровень SDH был разработан для обеспечения комплексной защиты и, следовательно, не будет зависеть от защиты оптического уровня. Однако методов защиты на других уровнях (IP или ATM) самих по себе может быть недостаточно для обеспечения адекватной доступности сети при наличии неисправностей.

В настоящее время существует много предложений по управлению уровнем IP непосредственно над оптическим уровнем без использования уровня SDH. Хотя IP включает отказоустойчивость на уровне маршрутизации, этот механизм громоздок и недостаточно быстр, чтобы обеспечить адекватное качество обслуживания. В этом случае для оптического уровня становится важным обеспечить быструю защиту для удовлетворения общих требований доступности от транспортного уровня.

Большинство перевозчиков вкладывают огромные средства в устаревшее оборудование, которое вообще не обеспечивает механизмов защиты, но его нельзя игнорировать. Плавное введение оптического слоя между этим оборудованием и необработанным волокном обеспечивает недорогую модернизацию инфраструктуры по длинным оптоволоконным каналам с повышенной живучестью.

Защита и восстановление оптического уровня могут использоваться для обеспечения дополнительного уровня устойчивости в сети. Например, многие транспортные сети предназначены для обработки одного сбоя за раз, но не множественных отказов. Оптическое восстановление можно использовать для обеспечения устойчивости к множественным сбоям.

Защита оптического слоя может быть более эффективной при обработке определенных типов отказов, таких как срезы волокон. Одно волокно несет множество длин волн трафика (например, 16-32 потоков SDH). Следовательно, отсечение волокна приводит к тому, что все 16-32 из этих потоков SDH независимо восстанавливаются слоем SDH. Система управления сетью заполнена большим количеством аварийных сигналов, генерируемых каждым из этих независимых объектов. Если оптический слой восстанавливает срез волокна достаточно быстро, этой эксплуатационной неэффективности можно избежать.

Значительная экономия может быть достигнута за счет использования защиты и восстановления оптического слоя.

Ограничения — защита оптического слоя

Ниже приведены некоторые ограничения защиты оптического слоя.

• Он не может обрабатывать все типы неисправностей в сети. Например, он не может обработать сбой лазера в IP-маршрутизаторе или SDH ADM, подключенном к оптической сети. Этот тип сбоя должен обрабатываться уровнем IP или SDH соответственно.

• Возможно, не удастся обнаружить все типы неисправностей в сети. Пути света, обеспечиваемые оптическим слоем, могут быть прозрачными, так что они переносят данные с различными скоростями передачи. Оптический слой в этом случае может фактически не знать, что именно переносится по этим световым путям. В результате он не может контролировать трафик, чтобы обнаружить ухудшения, такие как увеличение частоты ошибок по битам, которые обычно вызывают защитный коммутатор.

• Оптический слой защищает трафик в единицах световых трактов. Он не может обеспечить разные уровни защиты для разных частей трафика, передаваемого по световому тракту (часть трафика может иметь высокий приоритет, а другой — более низкий приоритет). Эта функция должна выполняться более высоким уровнем, который обрабатывает трафик с этой более тонкой гранулярностью.

• Могут быть ограничения бюджета линии, которые ограничивают возможности защиты оптического уровня. Например, длина защитного маршрута или количество узлов, через которые проходит защитный трафик, могут быть ограничены.

• Если вся сеть тщательно не спроектирована, могут возникнуть условия гонки, когда оптический уровень и уровень клиента одновременно пытаются защитить трафик от сбоя одновременно.

• Технология и методы защиты еще не прошли полевые испытания, и поэтому для развертывания этих новых механизмов защиты в полном объеме потребуется несколько лет.

Он не может обрабатывать все типы неисправностей в сети. Например, он не может обработать сбой лазера в IP-маршрутизаторе или SDH ADM, подключенном к оптической сети. Этот тип сбоя должен обрабатываться уровнем IP или SDH соответственно.

Возможно, не удастся обнаружить все типы неисправностей в сети. Пути света, обеспечиваемые оптическим слоем, могут быть прозрачными, так что они переносят данные с различными скоростями передачи. Оптический слой в этом случае может фактически не знать, что именно переносится по этим световым путям. В результате он не может контролировать трафик, чтобы обнаружить ухудшения, такие как увеличение частоты ошибок по битам, которые обычно вызывают защитный коммутатор.

Оптический слой защищает трафик в единицах световых трактов. Он не может обеспечить разные уровни защиты для разных частей трафика, передаваемого по световому тракту (часть трафика может иметь высокий приоритет, а другой — более низкий приоритет). Эта функция должна выполняться более высоким уровнем, который обрабатывает трафик с этой более тонкой гранулярностью.

Могут быть ограничения бюджета линии, которые ограничивают возможности защиты оптического уровня. Например, длина защитного маршрута или количество узлов, через которые проходит защитный трафик, могут быть ограничены.

Если вся сеть тщательно не спроектирована, могут возникнуть условия гонки, когда оптический уровень и уровень клиента одновременно пытаются защитить трафик от сбоя одновременно.

Технология и методы защиты еще не прошли полевые испытания, и поэтому для развертывания этих новых механизмов защиты в полном объеме потребуется несколько лет.

Определения охраняемых объектов

Прежде чем вдаваться в детали методов защиты и компромиссов между ними, полезно определить объекты, которые защищены оптическим уровнем и уровнем клиента. Эти объекты показаны на следующем рисунке.

Порт клиентского оборудования

Порты на клиентском оборудовании могут выйти из строя. В этом случае оптический уровень не может защитить клиентский уровень сам по себе.

Внутрисайтовые соединения между клиентом и оптическим оборудованием

Кабели внутри площадки могут быть отключены, в основном из-за человеческих ошибок. Это считается относительно вероятным событием. Опять же, полная защита от таких случаев может поддерживаться только комбинированной защитой клиентского уровня и оптического уровня.

Карты транспондеров

Транспондеры — это интерфейсные карты между клиентским оборудованием и оптическим уровнем. Эти карты преобразуют сигнал от клиентского оборудования в длину волны, которая подходит для использования внутри оптической сети, используя оптическое преобразование в электрическое в оптическое. Поэтому частоту отказов этой карты нельзя считать незначительной. Учитывая большое количество этих карт в системе (по одной на длину волны), специальная поддержка защиты для них в порядке.

Внешние объекты

Этот оптоволоконный объект между объектами считается наименее надежным компонентом системы. Сокращения волокна довольно распространены. Эта категория также включает в себя оптические усилители, которые развернуты вдоль волокна.

Целые узлы

Весь узел может выйти из строя из-за ошибок обслуживающего персонала (например, отключение силовых автоматических выключателей) или из-за сбоев всего сайта. Отказы на площадке относительно редки и обычно происходят из-за стихийных бедствий, таких как пожары, наводнения или землетрясения. Сбои узла оказывают значительное влияние на сеть и, следовательно, все еще должны быть защищены от них, несмотря на их относительно низкую вероятность возникновения.

Защита против восстановления

Защита определяется как основной механизм, используемый для устранения неисправности. Он должен быть очень быстрым (как правило, трафик не должен прерываться более чем на 60 мс в случае отказа сетей SDH). В результате маршруты защиты обычно необходимо заранее планировать, чтобы трафик можно было быстро переключать с обычных маршрутов на маршруты защиты.

Из-за требований к скорости эта функция обычно выполняется распределенными сетевыми элементами, не полагаясь на централизованный объект управления для координации защитных действий. За исключением недавних (и еще не доказанных) схем быстрой защиты сетки, методы защиты, как правило, довольно просты и реализуются в линейных или кольцевых топологиях. Все они в конечном итоге используют 100-процентную пропускную способность доступа в сети.

Напротив, восстановление не является основным механизмом, используемым для борьбы с неудачей. После завершения функции защиты восстановление используется для обеспечения либо эффективных маршрутов, либо дополнительной устойчивости к дальнейшим сбоям до устранения первого сбоя. В результате он может быть довольно медленным (иногда от секунд до минут).

Маршруты восстановления не должны планироваться заранее и могут быть рассчитаны на лету с помощью централизованной системы управления, не требуя функции распределенного контроля. Более сложные алгоритмы могут использоваться для уменьшения необходимой избыточной полосы пропускания, и могут поддерживаться более сложные топологии сетки.

Подслои в оптическом слое

Оптический слой состоит из нескольких подслоев. Защита и восстановление могут быть выполнены на этих различных слоях. У нас могут быть схемы, которые защищают отдельные световые пути или оптические каналы. Эти схемы обрабатывают отрезки волокна, а также выход из строя оконечного оборудования, такого как лазеры или приемники.

У нас могут быть схемы, которые работают на уровне совокупного сигнала, который соответствует уровню Optical Multiplex Section (OMS). Эти схемы не различают различные световые пути, которые мультиплексируются вместе, и восстанавливают их все одновременно, переключая их в группу.

Термин «защита на уровне тракта» используется для обозначения схем, работающих на отдельных каналах или световых трактах, и защиты на уровне линии для обозначения схем, работающих на уровне секции оптического мультиплексирования. См. Таблицу 1 для сравнения свойств схем трассы и уровня линии, а Таблицу 2 и Таблицу 3 для различных схем трассы и линии.

Таблица 1: Сравнение между защитой линии и защитой пути

критерий	Линия защиты	Защита пути
Защищает от	Межведомственные объекты Сбои сайта / узла	Межведомственные объекты Сбои сайта / узла Отказы оборудования
Количество волокон	Четыре, если используется одноуровневое мультиплексирование	Два
Может обрабатывать сбои / ухудшение одного пути	нет	да
Поддерживает трафик, который не должен быть защищен	нет	да
Стоимость оборудования	Низкий	Высоко
Эффективность полосы пропускания	Хорошо для защищенного трафика	Низкий для незащищенных каналов

Межведомственные объекты

Сбои сайта / узла

Межведомственные объекты

Сбои сайта / узла

Отказы оборудования

Таблица 2: Сравнение между схемами линейного уровня

Схема	Защищает от	Топология	Ограничения / Недостатки	Преимущества для клиентов
1 + 1 линия	Линия порезы	Точка-точка	Разнообразный маршрут, необходимый для защиты волокон	Самый простой в реализации и эксплуатации
1 + 1 линия	Линия порезы	Точка-точка	Разнообразный маршрут, необходимый для защиты волокон	Поддержка трафика с низким приоритетом Более низкие потери (примерно на 3 дБ)
OULSR	Линия порезы Ошибки узла	Столичное кольцо	Нарушения оптического слоя Дальнейшая потеря мощности происходит из-за перекрытия сигналов на уровне линии	Прост в реализации и эксплуатации Может быть сделано с использованием пассивных элементов (вместо оптических переключателей)
OBLSR	Линия порезы Ошибки узла	Столичное кольцо	Нарушения оптического слоя	Защита полосы повторного использования Поддержка трафика с низким приоритетом
Защита линии сетки	Линия порезы Ошибки узла	любой	Ограничено ухудшением оптического слоя На основе полностью оптического кросс-соединения Трудно управлять	эффективное Бюджетный

Поддержка трафика с низким приоритетом

Более низкие потери (примерно на 3 дБ)

Линия порезы

Ошибки узла

Нарушения оптического слоя

Дальнейшая потеря мощности происходит из-за перекрытия сигналов на уровне линии

Прост в реализации и эксплуатации

Может быть сделано с использованием пассивных элементов (вместо оптических переключателей)

Линия порезы

Ошибки узла

Защита полосы повторного использования

Поддержка трафика с низким приоритетом

Линия порезы

Ошибки узла

Ограничено ухудшением оптического слоя

На основе полностью оптического кросс-соединения

Трудно управлять

эффективное

Бюджетный

Таблица 3: Сравнение между схемами уровня пути

Схема	Защищает от	Топология	Ограничения / Недостатки	Преимущества для клиентов
Защита клиентского уровня	Неисправности клиентского оборудования Внутри-офисные помещения Неисправности транспондера Внутренние помещения Ошибки узла	любой	Требуются разнообразные пути в сети Самый дорогой	Самая обширная защита
Защита оборудования 1: N	Неисправности транспондера	Линейный или кольцевой		Очень низкая стоимость Эффективная пропускная способность
1 + 1 путь или OUPSR	Межведомственные объекты Ошибки узла	любой	Требуются разнообразные пути в сети Потребление полосы пропускания	Похоже на защиту клиента Прост в разработке и эксплуатации
OBPSR	Межведомственные объекты Ошибки узла	Виртуальное кольцо		Защита полосы повторного использования Поддерживает низкоприоритетный трафик
Защита пути сетки	Межведомственные объекты Ошибки узла	любой	Требуется OXC Очень сложен в реализации и эксплуатации	Высокая эффективность

Неисправности клиентского оборудования

Внутри-офисные помещения

Неисправности транспондера

Внутренние помещения

Ошибки узла

Требуются разнообразные пути в сети

Самый дорогой

Очень низкая стоимость

Эффективная пропускная способность

Межведомственные объекты

Ошибки узла

Требуются разнообразные пути в сети

Потребление полосы пропускания

Похоже на защиту клиента

Прост в разработке и эксплуатации

Межведомственные объекты

Ошибки узла

Защита полосы повторного использования

Поддерживает низкоприоритетный трафик

Межведомственные объекты

Ошибки узла

Требуется OXC

Очень сложен в реализации и эксплуатации

Топология физической сети может быть любой сеткой, проходящей световые пути между узлами клиентского оборудования. Виртуальная топология с точки зрения клиентского оборудования ограничена согласно уровню клиента (например, кольца для SDH). 2Физическая топология — это любая сетка, а виртуальная топология путей света — это кольцо.

Рассмотрим, например, две схемы защиты, показанные на следующих рисунках. Обе эти схемы можно рассматривать как схемы защиты 1 + 1, то есть как разделить сигнал на передающей стороне, так и выбрать лучшую копию на принимающей стороне. На рис. (А) изображена защита на уровне линии 1 + 1, в которой и разделение, и выбор делаются для всего сигнала WDM вместе. На рис. (B) показана защита уровня пути 1 + 1, где разделение и выбор выполняются отдельно для каждого пути света.

Линейный слой по сравнению с защитой слоя пути

Между этими двумя подходами существуют важные различия в стоимости и сложности. Для защиты линии требуется один дополнительный сплиттер и переход на незащищенную систему. Однако для защиты пути требуется один сплиттер и коммутатор на канал. Что еще более важно, для защиты пути обычно требуется вдвое больше транспондеров и вдвое больше ресурсов mux / demux для защиты линии. Поэтому защита тракта почти в два раза дороже защиты линии, если все каналы должны быть защищены. Однако история меняется, если не нужно защищать все каналы.

Основные схемы защиты

Сравнение схем защиты можно найти в таблицах 1, 2 и 3. Схемы защиты оптического уровня могут быть классифицированы во многом таким же образом, как и схемы защиты SDH, и могут быть реализованы на клиентском уровне, канальном уровне или линейном уровне. ,

Защита клиентов

Простой вариант — позволить клиентскому уровню позаботиться о собственной защите и не дать оптическому уровню выполнять какую-либо защиту. Это может иметь место для клиентских уровней SDH. Несмотря на то, что это просто с точки зрения оптического уровня, существенная экономия и экономия полосы пропускания могут быть получены с помощью защиты оптического уровня. Хотя метод защиты клиента может поддерживать двухточечные, кольцевые или ячеистые клиентские сети, важно отметить, что с точки зрения оптической сети все они преобразуются в поддержку оптических ячеек, поскольку даже двухточечный клиент ссылка может охватывать всю оптическую ячеистую сеть.

В защите клиентского уровня рабочие пути и клиентские пути защиты полностью разнесены, проходя через оптический уровень, так что нет единой точки отказа. Кроме того, рабочие пути и клиентские пути защиты не должны отображаться на разные длины волн по одному и тому же каналу WDM. В случае сбоя канала WDM оба пути будут потеряны.

Схемы слоя пути

Защита пути 1 + 1

Эта схема требует двух длин волн в сети, а также двух наборов транспондеров на каждом конце. При применении к кольцу эта защита также называется кольцом оптической однонаправленной коммутации каналов (OUPSR) или выделенным защитным кольцом OCh (кольцом OCh / DP).

Замечания по реализации. Мостовое соединение обычно выполняется через оптический соединитель, а выбор — через оптический коммутатор 1 x 2. Принимающая сторона может решить переключиться на резервный путь без согласования с источником.

Двунаправленное кольцо с коммутацией каналов

Эта схема слабо основана на двунаправленном кольце с коммутацией каналов SDH (BLSR) и использует общую полосу защиты защиты вокруг кольца. При сбое рабочего светового тракта узлы координируют свои действия и пытаются отправить трафик через назначенную защитную полосу пропускания в одном и том же направлении вокруг кольца (для устранения неисправностей приемоответчика). Это переключатель диапазона. Если это не удается, узлы зацикливают трафик по альтернативному пути вокруг кольца вплоть до другого конца сбоя. Это действие является переключателем звонка.

Схема позволяет не перекрывающимся световым путям совместно использовать одну и ту же полосу защиты, если они не выходят из строя вместе. Эта схема также называется кольцом общей защиты OCh (OCh / SPRing).

Замечания по реализации — эта схема может быть реализована в OXC или через намного меньшие коммутаторы в OADM. Переключатели необходимы для каждого канала защиты. Это похоже на стандарт SDH BLSR.

Защита пути сетки

Эта схема обеспечивает глобальную защиту ячеек с очень быстрым переключением (менее чем за 100 мс) для каждого неисправного светового пути в отдельности к резервному пути, совместно используемому несколькими световыми путями, потенциально выбирающими другой маршрут для светового пути. В случае сбоя он указывается для всех соответствующих узлов, которые устанавливают пути резервного копирования.

Замечания по реализации — Эти схемы внедряются в OXC. Из-за нехватки времени предопределенные пути резервного копирования хранятся в узлах сети и активируются на основе типов ошибок.

Восстановление пути сетки

В отличие от защиты пути сетки, эта схема не имеет строгих временных ограничений. Это устройство вычисляет альтернативные маршруты с использованием своей топологии и распространяет новую информацию о настройке на узлы, которые устанавливают эти маршруты. Узлам не нужно поддерживать какую-либо н / ж информацию.

Замечания по реализации . Централизованный характер этой схемы обеспечивает более оптимизированные маршруты защиты и снижает сложность внедрения и обслуживания.

1: N Защита оборудования

Одним из наиболее сложных (и, следовательно, подверженных сбоям) модулей в типичном терминале WDM является транспондер. Защита 1: N обозначает запасной транспондер для замены в случае отказа нормального транспондера.

Замечания по реализации. Эта схема чаще всего основана на определенной защищенной длине волны. В случае сбоя оба конца должны переключаться с использованием быстрых протоколов сигнализации, а не APS в SDH.

Схемы линейного слоя

1 + 1 линейная защита

Эта схема основана на мостовом соединении всего сигнала WDM на пару разнонаправленных средств. Принимающая сторона этих средств затем выбирает, какой из двух сигналов получить.

Линейная защита 1: 1

Эта схема требует конфигурации, аналогичной предыдущей (т. Е. 1 + 1 линейная), однако сигнал переключается либо на рабочий, либо на защитный путь, но не на оба. Хотя это увеличивает нагрузку на координацию, это позволяет запускать трафик с низким приоритетом на резервном пути (до тех пор, пока он не понадобится для защиты рабочего пути). Это также влечет за собой меньшие потери оптической мощности из-за того, что вся энергия сигнала направляется на один путь вместо двух.

Замечания по реализации — Переключение обычно выполняется с использованием оптического переключателя 1 × 2. Координация достигается с помощью протокола быстрой сигнализации.

Оптическое однонаправленное кольцо переключения линий (OULSR)

Схема аналогична схеме OUPSR за исключением того, что мостовое соединение и выбор сигнала выполняются для совокупного сигнала WDM. This allows for a more optimized design, lower cost, and very different implementations.

Implementation Notes − An implementation of this scheme is based on passive couplers that run the optical ring into a broadcast medium. Instead of using OADMs, this scheme is based on simple OLTs, each coupled into both clockwise and counter-clockwise rings, so each of the wavelengths is transmitted and received on both fibers. Under normal condition, the link is artificially disconnected, resulting in a linear bus, when the fiber cut link is reconnected.

Bidirectional Line Switched Ring

This scheme is similar to the OBPSR scheme in both the protocol aspects and the protection actions used (span and ring switching). Like all line-layer schemes, the aggregate WDM signal is switched in bulk to a dedicated protect fiber (requiring four fibers), or to a different WDM band within a single fiber (allowing only two fibers, but requiring a two stage optical mux scheme). This scheme is also termed as OMS shared protection ring (OMS/SPRing).

Implementation Notes − As the backup route loops around the entire ring optically, optical line amplifiers may be needed along the backup path to compensate for the losses. The circumference of the ring is also limited by other optical impairments. Therefore, this option fits best in metropolitan applications.

Mesh Line Protection/Restoration

This scheme is based on all-optical cross-connects that divert the WDM signal from a failed facility on to an alternate route and back to the other end of failed facility.

Implementation Notes − Like OBLSR, this scheme is restricted by optical impairments that may develop along alternate routes and requires careful optical design.

Consideration for the Choice of Protection Scheme

The criteria that could be used by a carrier to select the protection schemes to be used in the network. A simplified decision chart for this is depicted in the following figure assuming both equipment and line protection are needed.

The Cost of Protection

Another criterion from the carrier’s standpoint is the cost of the system in at least two aspects −

• Equipment cost
• Bandwidth efficiency

Both of these depend on the service mix of the traffic, that is, the fraction of the traffic to be protected by the optical layer.

The following figure shows the equipment cost of path layer schemes and equivalent line-layer schemes as a function of the traffic mix. If all the traffic is to be protected, path layer schemes require about twice the equipment of the line-layer schemes as there is less sharing of common equipments.

However, the cost of path layer protection is proportional to the number of channels that are to be protected, as each channel requires an associated mux/demux and terminating equipment. Thus, the cost of path-layer protection drops if fewer channels have to be protected. In case where no channels need to be protected, path-layer schemes will cost about the same as line-layer schemes, assuming that no additional common equipment is deployed.

The story is different from the bandwidth efficiency standpoint, as shown in the following figure. In a line-protected system, the protection bandwidth is consumed for light paths that require protection as well as for those that do not require protection. In path-protection systems, light paths that do not require protection can use bandwidth, allowing other unprotected light paths to use bandwidth that would have been otherwise wasted on unwanted protection.

It follows that if a large portion of the light paths could be left unprotected, path-layer protection recuperates the cost by supporting more working traffic over the same network than line-layer protection.