Rambler's Top100
 
Статьи ИКС № 3 2019
Андрей СЕМЕНОВ  19 ноября 2019

Параллельная оптическая передача: выход из «скоростного тупика»

Параллельная передача в настоящее время -- фактически единственный эффективный способ организации высокоскоростных (40 и более гигабит в секунду) линий внутриобъектовой волоконно-оптической связи.

До 2010-х гг. пропускную способность волоконно-оптических трактов передачи за редким исключением наращивали экстенсивно: путем увеличения тактовой частоты линейного сигнала. Таким образом были разработаны и внедрены в массовую инженерную практику 10-гигабитные сетевые интерфейсы.

При создании сетевого оборудования следующего поколения разработчики столкнулись с физическими ограничениями современной микроэлектронной базы: из-за недостаточного быстродействия транзисторов заметно повысить тактовую частоту линейного сигнала невозможно. Этот «скоростной тупик» вынуждает искать новые подходы к увеличению пропускной способности.

Пути наращивания пропускной способности

Синхронизация передатчика и приемника волоконно-оптического канала связи осуществляется с помощью информации, получаемой непосредственно из линейного сигнала. Для ее гарантированного сохранения на длинных последовательностях нулей и единиц эта информация искусственно вводится в сигнал в процессе его формирования на передающем конце. Наиболее просто это можно реализовать, если всегда выполнять переход 0 – 1 или 1 – 0 в середине тактового интервала (так называемое манчестерское кодирование), что, однако, увеличит тактовую частоту вдвое. Применение блочных кодов вида mBnB дает возможность уменьшить избыточность, и при кодах вида 64B66B и 64B65B тактовая частота линейного и исходного сигнала разнятся уже на единицы процентов. Резервы в этом направлении фактически исчерпаны.

Можно нарастить скорость и без увеличения тактовой частоты – за счет снижения чувствительности приемника сетевого интерфейса. Для передачи сигнала на небольшие расстояния, например в пределах машинного зала ЦОДа, эта чувствительность избыточна. Такой подход реализуется с помощью многоуровневого кодирования, т.е. внедрением многоуровневых кодов типа РАМ4. При создании соответствующих интерфейсов использовался опыт, полученный при конструировании медножильной техники 1GBase-T и 10GBase-T.

Многоуровневое кодирование также имеет ряд серьезных ограничений, снижающих его эффективность, а именно:
  • высокую временную и температурную нестабильность параметров оптических излучателей и фотоприемников;
  • повышенный уровень помех оптических линий (к традиционному тепловому шуму добавляется мощный квантовый шум).
Все это в комплексе не позволяет использовать большое количество уровней. 

Нельзя забывать и о том, что при равной информационной скорости тактовая частота падает заметно медленнее, чем уменьшается отношение сигнала к шуму на входе приемника. 

Таким образом, фактически единственным эффективным способом выхода из «скоростного тупика» современной электроники становится применение многоканальной схемы организации связи, когда на передающем конце линии исходный информационный поток делится на несколько (в известных системах одинаковых) частей, каждый из которых передается по независимому субканалу. Приемник воспринимает информацию, приходящую из каждой такой цепи, как независимое сообщение, обеспечивает синхронизацию их между собой и восстанавливает исходный сигнал. В результате скорость каждого субканала по сравнению с исходной падает в N раз, где N – количество субканалов.

Подобные решения известны под общим названием параллельной передачи.

Варианты реализации параллельной передачи

Необходимое условие параллельной передачи -- наличие нескольких взаимно независимых каналов связи. Они могут быть сформированы несколькими различными способами, каждому из которых соответствует свой подход к уплотнению отдельного волокна или волоконно-оптического кабеля в целом. До реализации в серийном оборудовании доведены следующие варианты:
  • пространственное уплотнение;
  • спектральное уплотнение;
  • модовое уплотнение.
В схематической форме идея первых двух вариантов показана на рис. 1. Модовое уплотнение по структурной схеме отличается от спектрального только тем, что использует разные моды оптической несущей одной длины волны.

a)








б) 
 
  Рис. 1. Основные схемы организации параллельных трактов:
а) пространственное уплотнение; б) спектральное уплотнение

Сильная сторона схем параллельной передачи -- взаимная независимость перечисленных методов, что позволяет произвольно комбинировать их при необходимости наращивания общего быстродействия формируемого канала связи.

Пространственное и спектральное уплотнение реализуются на существующих или модифицированных световодах.

Пространственное уплотнение SW использует одну длину волны, все субканалы работают по разным волокнам. Число световодов кратно 8 или 12. В зависимости от их количества для линии применяют обозначения Base8, Base12, Base16, Base24 и Base32. В последнее время системы Base8 и Base16, в которых естественным образом для передачи полностью задействуются все волокна ленточного кабеля, заметно теснят остальные варианты. Для улучшения экономических показателей трактов на основе 12- и 24-волоконной ленты обычно применяются адаптеры в корпусном и/или шнуровом исполнении (рис. 2). 

 
 Рис. 2. Некоторые варианты использования корпусных и шнуровых адаптеров при построении схемы параллельной передачи

При спектральном уплотнении в известных системах применяется четырехканальная схема передачи. В одномодовой технике для улучшения стоимостных показателей решения в целом рабочий диапазон длин волн выбирается в районе 1310 нм с привязкой к стандартной для линий операторов связи сетке длин волн систем CWDM.

Техника коротковолновой спектральной параллельной передачи

Целесообразность применения спектральной параллельной передачи по многомодовым волокнам в диапазоне длин волн первого окна прозрачности 850–950 нм (иначе – технологии SWDM) обусловлена в первую очередь ее хорошими стоимостными показателями при небольших длинах трактов.

Для дальнейшего повышения эффективности работы этой техники в 2016 г. был стандартизирован специальный класс волокон категории ОМ5. От более старых волокон категорий ОМ3 и ОМ4 это волокно отличается смещением максимума коэффициента широкополосности на длину волны примерно 870 нм (рис. 3), а также контролируемыми параметрами затухания и дисперсии в спектральном диапазоне 850–950 нм.

 
 Рис. 3. Спектральные характеристики многомодовых волокон категории ОМ4 и ОМ5 в первом окне прозрачности

В системах SWDM гарантируемая максимальная дальность связи составляет порядка 150 м. Ограничивающим фактором при этом являются дисперсионные искажения. В некоторых случаях (обычно при применении оптических кабелей на основе волокна ведущих производителей) дальность связи может быть увеличена в несколько раз и доведена до 600–900 м. Отдельно отметим, что стандартные сетевые интерфейсы SWDM нормально функционируют и по волокнам категорий ОМ3 и ОМ4, но на более короткие расстояния.

Система BiDi

Схема BiDi двухволнового уплотнения была разработана в начале 2010-х гг. при поддержке компании Cisco. Она представляет собой вариант коротковолнового уплотнения и отличается от SWDM тем, что работает на двух оптических несущих, а необходимая производительность канала связи достигается увеличением пропускной способности каждого из субканалов за счет удвоения тактовой частоты. Де-факто BiDi занимает промежуточное положение между каноническими схемами пространственного и спектрального мультиплексирования.

BiDi наиболее эффективна на скоростях до 50 Гбит/с, где сказываются ее хорошие стоимостные параметры из-за большого разноса длин волн оптических несущих и возможности применения более простых оптических фильтров. На скорости 100–200 Гбит/с BiDi может рассматриваться как альтернатива SWDM при выполнении ряда дополнительных условий.

Модовое уплотнение

Известно, что оптическое излучение в волоконном световоде образуется совокупностью нескольких мод, каждая из которых независима от других. Благодаря этому они могут служить несущими передаваемого сообщения. Для суммирования на передаче и последующего разделения на приеме можно использовать прямую и однозначную связь луча каждой моды с апертурным углом.

Относительно большое количество мод в стандартных многомодовых световодах, во-первых, уменьшает мощность каждой из них, что приводит к сложностям выделения приемником сигнала на фоне шумов, а, во-вторых, затрудняет селекцию перед подачей на окно приемного устройства.

Устранить этот недостаток можно переходом на маломодовые волокна, которые отличаются от обычных многомодовых в первую очередь уменьшенным диаметром сердцевины и меньшей числовой апертурой (рис. 4).

 
            а)                              б)                            в)                            г)
 Рис. 4. Сравнение размеров сердцевины различных волоконных световодов: 
а) многомодовое 62,5/125;б) многомодовое 50/125; в) маломодовое; г) одномодовое

Из-за модовой конверсии, вызванной отклонениями профиля сердцевины и пограничной области «сердцевина – оболочка» от идеальных, что обусловлено несовершенством технологии формирования заготовки и последующей вытяжки, добиться полной развязки отдельных модовых субканалов не получается. Это приводит к перетеканию энергии одних мод в другие, что эквивалентно увеличению мощности шумов, т.е. ограничивает дальность связи и скорость передачи. Вследствие этого серийное приемо-передающее оборудование с модовым уплотнением пока не отличается высоким быстродействием и применяется только в системах с повышенным уровнем защиты от несанкционированного доступа.

Спектральное уплотнение как средство обеспечения полярности

В системах внутриобъектовой связи для развязки направлений приема и передачи циркуляторы и направленные ответвители не применяются из соображений минимизации стоимости. Поэтому необходимое условие нормального функционирования канала связи -- подключение передатчика к приемнику и наоборот. Соответствующие процедуры обозначаются как «обеспечение правильной полярности».

Физический уровень каналов волоконно-оптической связи аппаратного зала ЦОДа в соответствии с требованиями профильных стандартов (например, ANSI/TIA-942) реализуется на основе структурированной кабельной системы. Каждый тракт передачи содержит стационарную линию с оконечными шнурами. Полярность в таких структурах при их двухволоконной реализации легко обеспечивается скрещиванием световодов в каждом из компонентов линии.

Область применимости двухволоконной схемы организации тракта при современном уровне техники определяется следующим образом. Если при конструировании сетевого интерфейса одновременно использовать тактовую частоту 25,78 ГГц, многоуровневое кодирование типа РАМ-4 и четырехканальное спектральное уплотнение (SWDM для многомодовой техники и ее известные аналоги для одномодовой, например типа 100G-CLR4), то общая скорость составит 25 х 2 х 4 = 200 Гбит/с. В этом случае в качестве оптической коммутационной техники можно задействовать стандартный соединитель LC. Таким образом, наращивание скорости сводится к замене активного сетевого оборудования, а характерные для многоволоконных параллельных трактов сложные процедуры становятся избыточными.

* * *
Схему параллельной передачи следует рассматривать как гибкий механизм, позволяющий решить целый ряд практически важных задач: в первую очередь повысить быстродействие каналов внутриобъектовой связи, обеспечить конфиденциальность и т.п.

В зависимости от области применения и начальных условий возможны несколько вариантов построения линий. Для улучшения технико-экономических параметров решения в целом широко используют ранее известное оборудование, адаптируя его к новой области применения, количество же новых разработок минимально.

Обращение к схеме спектральной параллельной передачи существенно смещает вверх границу перехода на многоволоконные тракты, что заметно упрощает обеспечение правильной полярности.

Андрей Семенов, профессор, МТУСИ
Поделиться:
Заметили неточность или опечатку в тексте? Выделите её мышкой и нажмите: Ctrl + Enter. Спасибо!