Оптические системы с терабитными и петабитными скоростями передачи

Москва

Горячая линия – Телеком

2020

Рекомендовано УМО по образованию в области 

Инфокоммуникационных технологий и систем связи в качестве 

учебного пособия для студентов высших учебных заведений, 
обучающихся по направлению подготовки 11.04.02 и 11.03.02 – 

«Инфокоммуникационные технологии и системы связи» (уровень 

высшего образования – магистратура и бакалавриат)

УДК 621.391.63:681.7.068.391.037.3 
ББК 32.889 
  Ф7532.811 

Р е ц е н з е н т ы :  доктор техн. наук, профессор  Ю. А. Пальчун; 
канд. техн. наук  В. А. Шиянов 

Фокин В. Г., Ибрагимов Р. З. 
Ф75   Оптические системы с терабитными и петабитными скоростями 
передачи. Учебное пособие для вузов. – М.: Горячая линия – 
Телеком, 2020. – 180 с.: ил. 
ISBN 978-5-9912-0616-7. 

Представлены сведения о возможностях и ограничениях современных волоконно-оптических систем передачи по наращиванию скорости и дистанций при использовании DWDM, оптического усиления 
и современных форматов представления оптических сигналов. Рассмотрены принципы построения волоконно-оптических систем передачи 
нового поколения с применением пространственного мультиплексирования SDM в многосердцевинных MCF одномодовых и маломодовых 
FMF волоконных световодах, технологий многоуровневых форматов 
модуляции PDMmQAM, суперканалов O-OFDM с терабитными, петабитными скоростями и поддержкой flex grid superchannel, когерентными оптическими приёмниками. Приведены характеристики перспективной элементной базы для построения оптических систем и сетей и примеры реализации оптических систем передачи. Рассмотрены 
программные продукты для моделирования и дана методика расчётов суперканалов. Рассмотрены элементы технологии программноконфигурируемых оптических транспортных сетей T-SDN. 

Для студентов, обучающихся по направлениям подготовки бака
лавров и магистров 11.03.02 и 11.04.02 – «Инфокоммуникационные 
технологии и системы связи» по профилям «Многоканальные телекоммуникационные системы» и «Оптические системы и сети связи», 
быть полезно для специалистов. 

ББК 32.889 

Учебное издание 
Фокин Владимир Григорьевич Ибрагимов Роман Захирович 
ОПТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ
С ТЕРАБИТНЫМИ И ПЕТАБИТНЫМИ
СКОРОСТЯМИ ПЕРЕДАЧИ
Учебное пособие для вузов 

Тиражирование книги начато в 2017 г.       

Все права защищены.
Любая часть этого издания не может быть воспроизведена в какой бы то ни было форме и 
какими бы то ни было средствами без письменного разрешения правообладателя
© ООО «Научно-техническое издательство «Горячая линия – Телеком»
www.techbook.ru
 ©  В. Г. Фокин, Р.З. Ибрагимов

ПРЕДИСЛОВИЕ

Постоянный рост потребляемых информационных услуг требует всё больших коммуникационных возможностей от телекоммуникационных сетей, которые связывают центры обработки данных
(ЦОД) с пользователями. При этом и коммуникационная инфраструктура ЦОД должна справляться с растущими объемами передаваемых данных.
Также требуется учитывать то, что все более
критическое значение приобретает время реакции на запросы по оказанию услуг.
Последний параметр зависит от ряда факторов: от
пропускной способности внутрисистемных каналов связи ЦОД; от
пропускной способности каналов связи транспортных магистральных, городских и местных сетей и также сетей доступа; от способа
организации управления сетью.
В большинстве транспортных сетей и в сетях ЦОД среднего и
крупного масштаба базой телекоммуникаций являются линии 10G
Ethernet и оптические каналы технологии OTN-OTH. Оборудование
этого класса широко используется с середины минувшего десятилетия и 10-гигабитная техника фактически подошла к пределу своих
возможностей. Для решения проблемы ограниченной пропускной
способности были предприняты первые шаги по стандартизации интерфейсов 40/100 Гбит/с Ethernet (стандарт IEEE 802.3bа) в 2010 г.
с перспективой наращивания скорости до 1 Тбит/с. С 2012 г. началось широкомасштабное внедрение оптических систем передачи в
транспортные сети на скорости до 120 Гбит/с стандарта G.709/2012
Международного союза электросвязи, сектора стандартизации телекоммуникаций (МСЭ-Т). При этом продолжается работа над стандартами передачи для скоростей 240 Гбит/с, 480 Гбит/с, 1 Тбит/с
(проект G.709.1 для интерфейсов на скорости до 25,6 Тбит/с) с перспективой их использования в ближайшие 10...20 лет. Разработаны
и внедряются продукты гибкой конфигурации сети SDN (Software
Defined Networking) на базе ЦОД. Продолжением этих разработок
стала технология для транспортных оптических сетей TransportSoftware Defined Networking (T-SDN), что обусловило начало перехода к новой парадигме построения оптических сетей уже 5-го поколения. В экспериментальных системах в 2012 г. достигнута скорость
1 Пбит/с передачи информационных потоков в одном волоконном
световоде. Такая скорость, по прогнозам академика Российской Ака

Предисловие

демии наук Е.М. Дианова [1], будет востребована уже в ближайшее
десятилетие.
Таким образом, существует реальная перспектива кардинальных изменений в сфере оптических телекоммуникаций различного
масштаба, что потребует подготовку новых специалистов для отрасли связи, т. е. проектировщиков, строителей, эксплуатационного
персонала. Для этого необходима корректировка учебных программ
для студентов и повышения квалификации работающих специалистов. Учитывая высокие темпы совершенствования техники и полное отсутствие подходящего учебного материала становится актуальным разработка учебного пособия, в котором должны быть отражены все современные тренды развития техники оптической связи
с учётом подготовки бакалавров и магистров, обучающихся по направлениям 11.03.02, 11.04.02 «Инфокоммуникационные технологии
и системы связи», профилей: «Многоканальные телекоммуникационные системы» и «Оптические системы и сети связи».
Учебное
пособие также будет полезно специалистам предприятий связи, занимающимся внедрением новых технологий и оборудования оптических сетей связи.

Предлагаемое учебное пособие составлено на основе информационных и методических материалов из различных научных-технических и специальных изданий, конференций, стандартов ITU-T (International Telecommunications Union — Telecommunications services sector) и IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers), электронных ресурсов ведущих производителей оборудования оптических сетей и т. д. В работе над учебным пособием принял участие ст. 
преподаватель Р.З. Ибрагимов, подготовивший разделы 5.4 и 8.3.

ВВЕДЕНИЕ

Основные тенденции развития современных оптических сетей
связи определены по направлениям с общим обозначением в научнотехнической литературе «М-технологии» (M-technologies).
До определённого времени (до 2010 г.)
известны этапы развития (или первый тренд): волоконная оптика FO (Fibre Optic) +
оптическое усиление OA (Optical Amplification) + мультиплексирование с разделением волн оптического диапазона WDM (Wavelength
Division Multiplex).
Основные тренды∗ настоящего времени (после 2010 г., когда стали стандартами цифровые потоки 40/100 Гбит/с транспорта с оптической транспортной иерархией Ethernet/OTH, Optical Transport
Hierarchy) представлены ниже и на рис. В.1:
1) гибко управляемая когерентная передача цифровых потоков
на скоростях от 100 Гбит/с до 1 Тбит/с и выше за счёт многоуровневой оптической модуляции (Multilevel Modulation) с квадратурными и фазовыми форматами от DPSK (Differential Phase Shift
Keying) до 256-QAM (Quadrature Amplitude Modulation) на одной
волне с двумя поляризационными составляющими и использования
O-OFDM (Optical — Orthogonal Frequency Division Multiplexing, оптическое мультиплексирование с ортогональным частотным разделением) для реализации терабитных суперканалов на нескольких
оптических поднесущих (тера — 1012); цифровой когерентный приём [2];
2) внедрение многосердцевинных оптических волоконных световодов (MCF, Multicore Fiber) с числом сердцевин от 2 до 7, 19 и
т. д., имеющих минимальные потери оптической мощности (в пределах 0,14...0,19 дБ/км), минимальную хроматическую (в пределах
4...10 пс/нм·км) и поляризационную (менее 0,05 пс/км0,5) дисперсию
в известном диапазоне волн 1490...1625 нм, высокий порог оптической мощности перегрузки (100...200 мВт), порождающей нелинейные оптические эффекты; волокна позволяют реализовать пространственно-разделённое мультиплексирование SDM (Space Division
Multiplexing) и мультиплексирование нескольких мод;
3) пространственное мультиплексирование/демультиплексирование множества мод в одном волоконном световоде, управление

∗ От англ. trend — тенденция.

Введение

Рис. В.1. Тренды в развитии оптических систем передачи [3]

множеством мод с множественным вводом и выводом MIMO (Multiple Input and Multiple Output), решение, направленное на увеличение пропускной способности коротких и протяженных оптических
линий в ЦОД и на межузловых линиях.
Эти тренды, называемые в научной литературе 3М (Multilevel
Modulation, Multicore Fiber, Multiple Input and Multiple Output),
подкрепляемые рядом экспериментов [3], позволяют предположить
возможность по реализации уже к 2020 г. систем на скорости до
Петабит/с на волокно (пета — 1015) как для связи между компонентами ЦОД, так и на оптических транспортных сетях (см. приложение 1), а в дальнейшем до 2030 г. достигнуть скоростей Эксабит/с
(экса — 1018).
Однако на 3М-трендах развитие телекоммуникаций не останавливается, а позволяет уверенно переходить к ряду других решений
в рамках M-technologies, например мультисервис, мультипротокол,
мультиуровневое построение, мультизащита соединений за счёт множества альтернативных соединений и т. д.
Всё вместе позволит реализовать в ближайшее время новые виды сервисов телекоммуникаций с высокими скоростями передачи
данных: связь для суперкомпьютеров с производительностью до

Введение
7

30...50 Петафлопс∗; прецизионная цифровая томография; телемедицина; видео высокой чёткости; 3D-мультимедиа; информационные
структуры банков, компаний, библиотек, учебных и научных заведений и т. д.; интеллектуальный транспорт и робототехника.
Основное внимание в учебном пособии сосредоточено на реализациях новых оптических компонентов систем передачи и оптических сетей ближайшего времени (десятилетия). Для этого учебное
пособие разделено на восемь связанных между собой глав.
В первой главе рассматриваются системные проблемы ограничений существующих оптических систем.
Во второй главе представлены доступные способы расширения
возможностей оптической передачи на существующих сетях связи и
на основе новых компонентов.
В третьей главе достаточно подробно представлены конструкции, характеристики, способы согласования и варианты применения
волоконных световодов типа MCF.
Четвёртая глава посвящена многоуровневым оптическим форматам модуляции оптического излучения.
В пятой главе представлены новые типы многомодовых волоконных световодов FMF и рассмотрены возможности по пространственному межмодовому мультиплексированию.
В шестой главе приведены данные по новым оптическим компонентам, которые могут служить основой для построения терабитных и петабитных систем передачи.
В главе 7 представлены примеры экспериментальной реализации нового класса оптических систем передачи с возможностями и
проблемами. Также представлены варианты для оценочных расчётов и проектирования систем передачи с учётом развития оптических сетевых технологий пятого поколения.
В главе 8 приводится краткий обзор нового направлеия развития оптических систем и сетей с технологией управления T-SDN и
возможностей современных систем програмного моделирования оптических систем передачи, оптических сетей.
Каждая из глав учебного пособия заканчивается выводами и
контрольными вопросами для самопроверки. Учебное пособие оснащено словарём терминов и сокращений на английском языке, ис
∗ Oт англ. FLOPS, flops, flop/s — Flouting Point Operations Per Second,
величина для оценки производительности компьютеров, показывающая
число операций с плавающей запятой в секунду, выполняемых вычислительной системой.

Введение

пользуемых в главах. Также представлен полный список литературы, используемой для подготовки глав учебного пособия.
Учебное пособие рассчитано на подготовленных студентов и специалистов предприятий, знакомых с основами техники оптической
связи, в том числе конструкциями и характеристиками волоконных
световодов, техники частотного (WDM) и временного (OTDM) оптического мультиплексирования, техники цифрового мультиплексирования (TDM) каналов и пакетов.

ВОЗМОЖНОСТИ И ОГРАНИЧЕНИЯ
В СОВРЕМЕННЫХ СИСТЕМАХ
ОПТИЧЕСКОЙ СВЯЗИ

Весь ход развития оптических систем передачи последних
10...15 лет связан с тремя тенденциями: 1) совершенствование характеристик существующих волокон для расширения полосы передачи; 2) применение новых конструкций волокон, в том числе с
пространственным
и
поляризационным
мультиплексированием,
плотного спектрального мультиплексирования для получения максимального числа спектральных и пространственных оптических
каналов в существующих и новых волокнах; 3) применение новых
многопозиционных форматов модуляции, позволяющих в ограниченной полосе частот оптического канала наращивать скорости передачи информационных потоков.
В современных и перспективных телекоммуникационных сетях
на основе волоконных световодов и в организуемых в световодах
оптических каналах информационные потоки передаются преимущественно в цифровом формате с двоичным импульсным представлением.
Постоянный рост скорости передачи двоичных посылок
ведёт к их сокращению по длительности, что требует расширения
полосы частот передачи сигналов. Даже использование одномодовых волоконных световодов с полосой пропускания 30 ТГц не позволяет получить перспективные скорости выше 100 Тбит/с, учитывая, что уже реализованы в коммерческих системах передачи
скорости более 10 Тбит/с на основе плотного мультиплексирования
волн DWDM (0,8 нм; 0,4 нм; 0,2 нм между каналами) и спектральных суперканалов на основе OFDM (orthogonal frequency division
multiplexing, мультиплексирование с ортогональным частотным разделением) [4, 5]. Таким образом, представляет интерес анализ возможностей существующих систем передачи и перспектив их дальнейшего развития по использованию стандартных и новых волокон,
оптических трансиверов, коммутаторов, форматов кодирования оптических сигналов и т. д.

1.1. Информационные сигналы и
волоконно-оптическая среда для их передачи

В оптических системах передачи для переноса информационных сигналов используются оптические волны, излучаемые светоди

Г л а в а 1.

Рис. 1.1. Структурная схема передачи информационных импульсных
сигналов в оптической системе

одами и лазерами. Для детектирования оптических сигналов применяются полупроводниковые фотодетекторы. Самое простое и эффективное по различным показателям решение для передачи импульсных двоичных посылок связано с модуляцией интенсивности
оптического излучения (обычно лазер непрерывного излучения —
CW, continuous wave) и его прямым детектированием на приёмной
стороне. Двоичные информационные посылки позволяют сформировать излучение двух уровней интенсивности максимальной разности (включен и выключен источник излучения). Эти два уровня интенсивности преобразуются фотодетектором в две величины
фототока (включен и выключен). При этом фототок в состоянии
«включено» многократно превосходит ток в цепи фотодетектора в
состоянии «выключено». Для определения амплитудного значения
импульсной посылки на приёме достаточно использовать простейшее пороговое устройство — компаратор (рис. 1.1).
Форма представления информационных импульсных посылок
может быть в одном из двух вариантов, в одной или двух полярностях (рис. 1.2).
Форма представления посылок рассматривается на тактовом интервале или интервале двоичной посылки, т. е. времени T , отведённом для передачи посылки. В двоичном представлении логическая
единица «1» это высокий уровень одной из величин: электрического напряжения, тока, мощности, интенсивности оптического излучения, а логический ноль «0», соответственно, — низкого уровня
указанных величин.
Импульсная посылка «1» на всём интервале T определила название формата — без возвращения к нулю на тактовом интервале
(non return to zero, NRZ).