Архивы: по дате | по разделам | по авторам

32 часа в сутки. Технология временного уплотнения

Архив

автор : ЕГОР КОБЫЛКИН 02.02.1998

Быстрое проникновение информационных технологий в коммерцию, банковское дело, образование и сферу развлечений в совокупности с неуклонно увеличивающейся мощностью компьютеров и емкостью устройств хранения данных предъявляет все большие требования к сетям связи. На повестку дня выходят широкополосные каналы связи.

Согласно прогнозам, мощность персональных компьютеров и high-end-вычислительных машин в ближайшие 15 лет увеличится более чем в тысячу раз, соответственно и потребности в объеме трафика по опорным сетям связи вырастут в десятки и сотни раз. Эти тенденции стимулируют исследования в области высокопроизводительных сетевых решений. Самые быстрые линии передачи данных - оптоволоконные - требуют соответствующие технологии построения быстрых и гибких сетей. Одной из таких технологий является временное уплотнение каналов.

Современные технологии ATM и SDH решают задачу повышения производительности сетей лишь в краткосрочной перспективе. Их дальнейшее развитие сопровождается увеличением сложности и цены электронного оборудования, заставляя разработчиков обратить взор в сторону оптических технологий связи.

Связь по оптоволокну - пока единственный способ удовлетворить огромные потребности в скоростной передаче данных. Главными технологиями, позволяющими наиболее полно на сегодняшний день использовать поистине громадные возможности волокна, являются уплотнение каналов с разделением по спектру (WDM, или спектральное уплотнение, см. интервью с академиком Диановым в этом номере) и с временным разделением (OTDM, или временное уплотнение). О последнем и пойдет речь в этой статье.

И та и другая технологии важны не только для повышения скорости передачи данных, но и для ускорения коммутации и маршрутизации. Уже разработаны необходимые средства для решения этих задач без использования электронных устройств. Таким образом, снимаются ограничения, накладываемые электроникой. Временное и спектральное уплотнения не являются взаимоисключающими, хотя использование первого с некоторыми видами волокон затруднено. Более того, эти подходы могут быть скомбинированы. Небольшое число OTDM-каналов может быть объединено с помощью WDM, увеличивая емкость линии.

Технология WDM нашла большее коммерческое применение, нежели OTDM. Тем не менее технология OTDM тоже весьма интересна, так как позволяет преодолеть ограничения, присущие WDM из-за ее существенно аналоговой природы. Временное уплотнение использует чисто цифровой способ передачи данных. Информация передается по сети в виде очень коротких импульсов со скоростью до 100 Гбит/c и более, что превосходит возможности электронных систем. Принцип работы заключается в формировании из большого числа менее скоростных каналов, с носителями в виде коротких импульсов, одного высокоскоростного потока данных, разделяя сигналы из различных каналов по времени (см. врезку 1).

Система OTDM "точка-точка" устроена следующим образом. Источник коротких световых импульсов с частотой следования F используется как тактовый генератор, деля непрерывное время на одинаковые "кадры". Эта частота соответствует скорости отдельного канала данных (типичное значение 2,5-10 ГГц). Последовательность распределяется в N модуляторов, которые после каждого тактового импульса добавляют в кадр свою информационную ячейку длительностью 1/FN, с определенной индивидуальной задержкой от тактового импульса, так что ячейки не перекрываются (на рисунке N=4). После модуляции сигналы отдельных модуляторов собираются в один с общей скоростью потока N•F. После передачи по волокну сложная последовательность оптически разбирается на N отдельных каналов, которые могут быть индивидуально обработаны электронным устройством. Для синхронизации демультиплексора используются средства восстановления тактовых импульсов. Посреди линии установлено устройство для компенсации дисперсии.

Цифровая передача данных естественно сочетается с цифровыми методами обработки и доступа к информации, в частности, с теми из них, которые предполагается использовать в оптических компьютерах.

Кроме того у временного уплотнения есть следующие достоинства:

простой доступ к линям с высокой плотностью данных (100 Гбит/с и более);
произвольные скорости передачи данных с любой степенью дробления и совместимость с существующими технологиями, например с SDH;
сильно упрощены, по сравнению с WDM, усилители и средства компенсации дисперсии (благодаря работе только на одной длине несущей волны);
от абонентов сети требуется работа только со скоростью их собственного потока данных.

Для использования временного уплотнения необходимо наличие источника тактовых импульсов, удовлетворяющего очень строгим ограничениям на ширину спектра импульсов и величину отношения между амплитудой сигнала и шума в промежутках (необходимая величина - более 1000). Кроме того, источник должен быть весьма стабильным. В настоящее время эта проблема решена, и создан генератор на лазере с синхронизацией мод, работающий в диапазоне 1,3-1,55 мкм с шагом 100 нм. Его тактовую частоту можно изменять в пределах 2,5-20 ГГц. Размеры генератора могут быть весьма невелики - существует реализация в корпусе компьютера lap-top с интегрированными средствами контроля за параметрами и температурной компенсацией.

Большинство полевых исследований ведется с использованием оптоволокна со ступенчатым показателем преломления, широко распространенного в уже работающих телекоммуникационных системах. Наиболее интересным является диапазон 1,55 мкм, где могут быть использованы оптические эрбиевые усилители. К сожалению, на этой частоте довольно силен эффект расплывания сигнала за счет дисперсии (например, передача данных со скоростью 40 Гбит/с ограничена расстоянием всего 5 км). Для борьбы с уширением импульсов используют специальные приспособления, компенсирующие дисперсию. В частности, можно поставить в линию отрезок оптоволокна со специально подобранной длиной и коэффициентом дисперсии, противоположным по знаку коэффициенту основного волокна. Тогда те спектральные компоненты, которые ушли вперед, притормозят, а отставшие прибавят в скорости, и размазанный импульс вернется к первоначальному виду. Можно запустить сигнал в волоконную дифракционную решетку с шагом, меняющимся по определенному закону. При этом виртуальное расстояние, которое пройдет в решеточном волокне до отражения каждый спектральный компонент, будет зависеть от частоты. При правильном подборе закона изменения шага дисперсия также будет скомпенсирована. Применяются и более сложные приборы, использующие четырехволновое смешение (спектральные инверторы). Эти устройства помещаются в середине волоконной линии, что не всегда удобно, но возможно. Зато, в отличие от первых двух, их не нужно настраивать на конкретную длину линии.

Для преодоления проблем, связанных с дисперсией, весьма многообещающим является использование оптических солитонов в качестве физических носителей и солитонных лазеров для их генерации. Солитоны являются специальным типом волновых пакетов, которые могут распространяться на большие расстояния, не меняя своей формы. Они очень похожи на частицы; возмущение, составляющее солитон, в каждый момент сосредоточено в ограниченной области, и при столкновении солитонов взаимодействие между ними напоминает взаимодействие частиц.

По сути, солитоны - это явление одного порядка с синусоидальными волнами, в том смысле, что и те и другие подчиняются уравнениям, описывающим поведение полей и вещества. Синусоидальные волны описываются линейным волновым уравнением, а солитоны - нелинейными уравнениями. Солитоны встречаются в разных областях физики: гидродинамике, физике плазмы, нелинейной оптике и др.

Свойство оптических солитонов распространяться по оптоволокну на большие расстояния без значительного уширения, вызываемого дисперсией, делает их прекрасными кандидатами для передачи сигналов в цифровой оптической связи. Два неприятных для обычной связи эффекта - нелинейность и дисперсия - являются механизмами, "воспитывающими" солитон (от слова "питание") :-). Нелинейность старается обрезать, укоротить импульс, а дисперсия, наоборот, - уширить. Форма солитона является как бы компромиссом; так, балансируя, и бежит солитон по световоду.

"Солитон - уединенная волна с устойчивым профилем в нелинейной диспергирующей среде, ведущая себя подобно частице". Так о нем говорится в словаре1. Первым такую уединенную волну наблюдал в 1834 году англичанин Джон Скотт Рассел на канале, соединяющем Эдинбург и Глазго. Рассел был инженером-физиком и занимался в тот момент переводом на паровую тягу барж, которые до этого таскали по каналу с помощью лошадей. Вот как он сам описывает это событие:

…Я следил за движением баржи, которую быстро тянула по узкому каналу пара лошадей, когда баржа неожиданно остановилась; но масса воды, которую баржа привела в движение, не остановилась. Вместо этого она собралась около носа судна в состоянии бешеного движения, затем неожиданно оставила его позади, катясь вперед с огромной скоростью и принимая форму большого одиночного возвышения, то есть округлого, гладкого и четко выраженного водяного холма, который продолжал свой путь вдоль канала, нисколько не меняя своей формы и не снижая скорости. Я последовал за ним верхом, и, когда я нагнал его, он по-прежнему катился вперед со скоростью приблизительно восемь или девять миль в час, сохранив свой первоначальный профиль возвышения длиной около тридцати футов и высотой от фута до фута с половиной. Его высота постепенно уменьшалась, и после одной или двух миль погони я потерял его в изгибах канала. Так в августе 1834 года мне впервые довелось столкнуться с необычайным и красивым явлением, которое я назвал волной трансляции; теперь это название общепринято. С тех пор я обнаружил, что такие волны играют важную роль почти во всех случаях, когда жидкость оказывает сопротивление движению, и пришел к убеждению, что к тому же типу относятся огромные движущиеся повышения уровня моря, которые с регулярностью обращения небесного тела входят в наши реки и катятся вдоль наших побережий. Для подробного изучения этого явления с целью точно установить его природу и управляющие им законы я придумал другие, более удобные способы его вызвать… и применил разнообразные методы наблюдений. (Цитата из [2], стр 34.)

Рассел назвал это явлением волной трансляции, или большой уединенной волной (great solitary wave), отсюда и появилось название "солитон", по аналогии с электроном, нейтроном, бозоном и т. д. Рассел считал, что солитон - это особенный вид волны, отличающийся от обычных периодических волн. В отличие от обычного волнового пакета уединенная волна не изменяет своей формы, и скорость ее распространения зависит от амплитуды. Его идеи были встречены специалистами с недоверием, так как в физике в то время господствовал линейный подход; все основные уравнения механики электродинамики и др. были линейными, а уравнение, наиболее точно описывающее свойства уединенной волны, оказалось нелинейным. Его получили в 1895 году два голландца: Кортевег и де Фриз, по их именам оно и было названо КдФ-уравнение. Строгое математическое доказательство существования решения в виде уединенной волны было впервые получено в 1946 году советским математиком М. А. Лаврентьевым. Но до недавних пор ученые не слишком интересовались солитонами. Только с развитием нелинейной физики (примерно после 1960 года) солитоны заняли важное место в описании физических явлений.

Если включить оптоволокно в цепь обратной связи лазера, работающего в режиме синхронизации мод (в этом режиме лазер работает как источник коротких импульсов), то при соблюдении ряда условий импульсы лазера примут форму солитонов волокна. Изменяя параметры волокна, можно менять параметры генерируемых импульсов и частоту генерации. Уже удалось получить импульсы длительностью 50 фс (10-15 с).

Солитоны можно использовать для связи на расстояния порядка тысяч километров без ретрансляции. В таком случае необходимо периодически компенсировать затухание с помощью оптических или ВКР-усилителей (ВКР - вынужденное комбинационное рассеяние). Солитону сообщается дополнительная энергия, и он сам восстанавливает свою форму. Существует ряд факторов, ограничивающих в этом случае максимальную длину линии. По-видимому, солитонные линии связи могут обеспечить передачу информации на расстояния до 6 тыс. км со скоростью 6 Гбит/с. На более высоких скоростях максимальное расстояние уменьшается. Теоретически предсказана возможность передачи со скоростью 100 Гбит/с на расстояние до 300 км.

Стоит подчеркнуть, что благодаря использованию солитонов связь по волокну становится чисто цифровой, в отличие от обычных способов, основанных на аналоговой модуляции непрерывной несущей. Солитоны представляют собой существенно дискретные сигналы, причем в самой их сущности заложено превосходство над аналоговыми сигналами, учитывая дисперсию и нелинейность, характерные для оптоволокна. В определенных областях использование солитонов и временного уплотнения позволяет значительно повысить производительность каналов. Однако аппаратура, необходимая в этом случае, пока еще довольно далека от коммерческих применений. Скоростная связь на аналоговом принципе с использованием спектрального уплотнения является более простой для промышленной реализации.

До недавних пор представлялось оправданным применение временного уплотнения лишь на линиях связи масштаба государства или межконтинентальных. Однако технологический прогресс уже позволяет серьезно обсуждать применение OTDM в суперскоростных локальных сетях и сетях связи мультипроцессорных систем. В частности, совершен прорыв в области интеграции оптических компонентов с электронными на одном чипе.

В сетях, использующих ATM и IP (Интернет-протокол), главные задержки связаны с переключателями и маршрутизаторами и могут быть на несколько порядков больше, чем физическая задержка распространения импульса. Вдобавок эта задержка меняется от пакета к пакету или от ячейки к ячейке, что очень неудобно для систем реального времени и распределенных вычислений. Система, обладающая высокой гарантированной скоростью, нулевым изменением задержки и возможностью широковещания (broadcasting), может вскоре оказаться необходимой. Такой системой является технология TDMA (Time-Divided Mutliple Access, временное разделение с множественным доступом). Запись в поток передачи данных производится в отдельную выделенную для каждого абонента ячейку в тактовом кадре. Чтение из потока производится на частоте соответствующего канала, тогда как суммарная скорость может быть весьма высока.

На рисунке показан прототип локальной сети, построенный недавно в BT-Labs. В нем используется временное разделение с множественным доступом, суммарная производительность 40 Гбит/с. Для минимизации затрат суперскоростные оптические компоненты используются очень экономно.

Здесь применена технология с "возвратом на шину" (reentrant bus technology). В такой схеме последовательность очень коротких оптических импульсов передается по шине из единственного концевого узла, импульсы используются каждым из компьютерных интерфейсов как для чтения, так и для записи данных в поток. Чтобы тактовые сигналы и данные можно было различить, для них используют свет с разной поляризацией. Записывая данные в поток, интерфейс снимает копию последовательности тактовых импульсов и затем обрабатывает их с использованием электроабсорбционного модулятора. Подготовленные данные с помощью управляемой линии задержки возвращаются в нужную временную ячейку. Для считывания данных тоже снимаются копии и тактовых импульсов, и данных. Копии тактовых импульсов используются для управления демультиплексирующим устройством.

Описываемая линия длиной около 100 м содержит три компьютерных интерфейса. Измерения показали, что на скорости отдельного канала 2,5 Гбит/с связь безошибочная и широкополосная, задержка не меняется со временем. Так как каждый узел имеет доступ ко всем каналам на шине, широкое вещание (broadcasting and multicasting) реализуется очень легко.

Главными "заказчиками" ультрабыстрых сетей являются распределенные многопроцессорные вычислительные системы. Для построения такой сети необходимо найти решение задач маршрутизации "на лету", с минимальной буферизацией и с использованием быстрых полностью оптических устройств. Так как на управление маршрутизаторами с помощью дополнительных сигналов или вычислений времени не остается, то пакеты должны "самонаправляться" (self-route) информацией, записанной в их заголовках. Проблема состоит в том, чтобы удовлетворить критерию устойчивости сетей без буферизации: узлы должны работать на скоростях не меньших, чем скорость передачи данных. Время, за которое узел должен принять решение о том, куда направить пакет, при разумном размере пакета в 500 бит и скорости передачи данных 100 Гбит/с составляет порядка нескольких наносекунд. Если с работой на сетевом и канальном уровне модели OSI (работа с пакетами) электроника еще справится, то на физическом уровне (работа с битами пакетов) может работать только оптика.

Однако, по сравнению с электронными устройствами, оптические гораздо более энергоемки, плохо поддаются интегрированию, имеют ограничения на каскадирование. По-видимому, в ближайшие годы так оно и останется. При разработке реальных маршрутизаторов приходится обходить все эти ограничения. Тем не менее уже построены и работают экспериментальные межпроцессорные самомаршрутизирующиеся сети. Узлы в них конструируются по "спартанскому" принципу. В уже построенном в BT-Lab макете такой сети маршрутизатор работает с пакетами с помощью всего одного логического элемента "И", правда, сложного. Этот элемент использует эффект четырехволнового смешения в полупроводниковом оптическом усилителе. Если адресный заголовок пакета подходит к ключевому слову, записанному в элемент, то вырабатывается сигнал, переключающий электрооптический коммутатор, и пакет идет куда нужно. В таком элементе все адресные биты сравниваются с шаблоном одновременно (их количество в первом приближении не ограничено). За счет этого и достигается очень малое время срабатывания.

В общем, пока еще рано говорить о широком внедрении сверхбыстрых сетей или линий связи с временным разделением, хотя первые ласточки уже появились… Примерное время доведения экспериментальных образцов до промышленного производства в этой области составляет сейчас приблизительно 5-7 лет. Так что если все сложится в пользу разработчиков, то в скором будущем на рынке технологий для скоростных сетей, от локальных до межконтинентальных, нас ждут значительные изменения. Скорее всего будут использоваться и WDM, и OTDM. Как бы то ни было, коммерческая связь на скорости 40 Гбит/с уже стала реальностью. (всеамериканская WDM-сеть Multiwave Network 1600, построенная для крупнейшей глобальной коммуникационной компании Sprint корпорацией CIENA).

Список литературы:

Г. Агравал. Нелинейная волновая оптика. Пер. с англ. - М.: "Мир", 1996.
Прекрасный обзор заявленной темы, в частности, оптических солитонов.
А. Т. Филиппов. Многоликий солитон. Библиотечка "Квант", выпуск 48. - М.: "Наука", 1986.
Популярный и занимательный рассказ о солитонах вообще (в разных областях физики).
Дополнительную информацию можно получить на сайте BT Laboratories: www.labs.bt.com/pressoffice/archive/1997/3.htm.