Фриман Р.Л. Волоконно-оптические системы связи

Подождите немного. Документ загружается.

17.5.1. Коммутация с помощью MEMS

MEMS расшифровывается как микроэлектромеханическая система.

Были разработаны два типа таких устройств: механические и

микрогидравлические. Механические устройства используют массив микро-

зеркал, число которых может быть от нескольких сотен до нескольких тысяч

на одном чипе. Микрогидравлические устройства основаны на движении

жидкости в микро-каналах, которые были вытравлены в кристалле. В случае

использования микро-зеркал, массив из них изготавливается на кремнии.

Входящий световой сигнал направляется до желаемого выходного порта с

помощью сигнала управления, приложенного к кристаллу MEMS, который

имеет возможность фиксировать позицию каждого отдельного зеркала.

Коммутаторы на MEMS классифицируются по используемому числу

степеней свободы перемещения зеркала. Существуют коммутаторы с

двумерными (2D) и трехмерными (3D) переключателями. В случае

двумерных переключателей, зеркало может принимать одно из двух

возможных позиций. Как правило, это позиции либо (плоскостью) вверх,

либо вниз, либо бок-о-бок. Для трехмерных переключателей существует

большее число позиций. Зеркало может быть установлено на шарнирном

соединении и может занимать множество позиций, в том числе, и наклонено

под разными углами [17.7].

В работе [17.7] показано, что большинство главных игроков в

оптической коммутации придерживаются использования маршрутизаторов

на основе микро-зеркал. Только компания Agilent Technologies опирается на

свои знания в области микрогидравлических устройств. Она разработала

переключатель, на основе технологии струйных принтеров компании HP. Это

устройство уникально и состоит из пересекающихся кремниевых волноводов

с канавкой, вытравленной диагонально в каждой точке пересечения. Канавка

содержит жидкость, которая в нормальном режиме позволяет свету

проходить через переключатель. Для активации переключателя, при

необходимости переключить свет, в жидкости формируются и удаляются

пузырьковые домены со скоростью сотен раз в секунду, что и дает

возможность направить свет к соответствующему выходному порту [17.7].

17.5.1.1. Управление зеркалами и пузырьковыми доменами

В работе [7] рассмотрены три типа приводных механизмов,

используемых в переключателях MEMS: электростатический,

электромагнитный и тепловой.

Электростатический привод. Этот механизм наиболее проработан и

часто используется для привода MEMS, учитывая широкий выбор

проводящих и изолирующих материалов, предоставляемых технологией ИС.

Используя проводники как электроды, а изоляторы для электрической

изоляции электродов, можно генерировать электростатические поля

прикладывая напряжение на пару электродов. Этот тип привода требует

малой мощности по сравнению с другими типами и считается самым

быстрым.

Электромагнитный привод. Этот тип привода обычно требует

больших токов (а, значит, и больших мощностей), что может ограничить его

применение. Кроме того, он использует магнитные материалы, что не

свойственно технологии ИС. Они часто требуют ручной сборки, что является

отличительным недостатком. Выбор магнитных материалов ограничивается

теми из них, которые допускают простую микромашинную технологию.

Однако электромагнитные микро-приводы допускают большую скорость и

потребляют меньше энергии, чем тепловые приводы (см. ниже).

Тепловой привод. Этот тип привода требует нагревания, что

происходит за счет тока, пропускаемого через устройство. Ущербность

технологии в том, что нагревающие элементы имеют большое потребление

мощности. Кроме того, нагретый материал должен быть охлажден до

исходного состояния, а тепловыделения распространяются в окружающее

пространство. Все это требует времени, что ограничивает скорость

переключения устройства.

Наиболее обещающим методом изготовления MEMS является LIGA -

литографическая металлизация и прессование. LIGA объединяет основной

процесс литографии ИС с электрометаллизацией и прессованием для дос-

тижения требуемой глубины. В этом методе шаблоны создаются на подлож-

ке, которая затем электрометаллизуется для создания 3D-формы. Эти формы

могут быть использованы для создания конечного продукта. Однако для

этого потребуется использовать еще ряд материалов. Здесь налицо два пре-

имущества этой технологии: могут использоваться материалы, отличные от

кремния (в частности, металл и пластик), при этом могут быть созданы

устройства с большими геометрическими размерами.

Коммутаторы MEMS изготавливаются сегодня с числом двунаправлен-

ных портов до 32. Цель производителей разработать приборы с матрицей

размера 10001000. Некоторые оптические компании рассматривают эту

цель в качестве первоочередной. Другие компании полагают, что лучше ис-

пользовать ряд матричных наборов меньшего размера для формирования

большого массива переключателей, см. [17.7]. На рис. 17.5 показан пример

оптического кросс-коммутатора типа 2D MEMS с дополнительными третьей

и четвертой плоскостями, добавляющими возможности ввода-вывода. Более

подробно кросс-коммутаторы MEMS описаны в разд. 17.8.

Рис. 17.5. Вид оптического кросс-коммутатора типа 2D MEMS с дополни-

тельными 3 и 4 плоскостями, добавляющими возможности ввода-вывода. (С

разрешения Zeke Kruglic, компания ОММ, Inc., San Diego, СА, [17.13]).

17.6. Практические оптические мультиплексоры ввода-вывода (OADM)

Полностью оптический мультиплексор допускает обеспечение каналов

оптического ввода-вывода, аналогично назначению тайм-слотов (TSA), и пе-

реназначение оптических каналов, аналогично тому, как работает обмен

тайм-слотами (TSI) в современных системах электронной цифровой

коммутации. На рис. 17.6 приведена блок-схема, показывающая основные

функции программируемого оптического ADM. Учитывая, что эти кросс-

коммутаторы будут работать с длинами волн, можно полагать, что новые

узлы, требующие доступа к сети, будут добавляться более просто и можно

будет уменьшить сложность процесса проектирования. Миграция к

полностью оптическим уровням приводит к новым методам защиты для

восстановления сети.

Рис. 17.6. Схема оптического мультиплексора ввода-вывода. (С разрешения

компании Alcatel, [17.4], рис. 3).

Эволюция оптических сетей приведет к более совершенным системам,

которые обеспечат возможность маршрутизации длин волн. Как только будут

происходить технологические прорывы в области оптических вентилей и

матриц, так оптические системы кросс-коммутации начнут выходить на

сцену. На рис. 17.7 приведена блок-схема оптической системы кросс-

коммутации (OCCS).

Рис. 17.7. Блок-схема оптической системы кросс-коммутации (OCCS). (С

разрешения компании Alcatel, [4], рис. 4, с. 30).

Существуют два основных типа систем кросс-коммутации: с трибными

входами и линейные. OCCS с трибными входами, или типа 1, обеспечивают

функции, аналогичные тем, что имеют современные широкополосные кросс-

коммутаторы SONET сегодня. Линейные кросс-коммутаторы OCCS, или

типа 2, могут поддерживать восстановление и реконфигурацию сети

высокоскоростных транспортных систем.

Как только сервисы оптических систем связи станут доступными, пред-

полагается значительное увеличение клиентской базы и рост требований на

транспортный трафик. До настоящего времени, электронные широкополос-

ные кросс-коммутаторы удовлетворяли требованиям на предоставление

трафика в сети, однако сложность этих систем и размеры их матриц коммута-

ции фактически достигли предела возможного. Оптические кросс-коммута-

торы могут уменьшить размер и сложность электронных цифровых кросс-

коммутаторов (DCS) с высоким уровнем загрузки трафика и осуществлять

маршрутизацию на уровне длин волн. Сигналы могут маршрутизироваться

на уровне выше, чем STS-1, и могут эффективно обрабатываться на опти-

ческом уровне. Оптическая матрица, в действительности, потребляет меньше

мощности, чем электронная матрица, переключает с более высокой ско-

ростью и с меньшей сложностью обрабатывает большие емкости трафика.

Учитывая, что большая часть взрывного роста потребностей в емкости при-

ходится на клиентов, требующих большие емкости, можно полагать, что

соединения таких клиентов будут более эффективно обрабатываться с по-

мощью оптической матрицы, а не электронным DCS.

В настоящее время возможности полного восстановления сервиса сетей

реализуются двумя основными методами: защитой сети ячеистой

топологии с помощью DCS и защитой сети кольцевой топологии с

помощью мультиплексоров SONET/SDH. Оба метода имеют слабые стороны:

относительно большое время восстановления, высокая стоимость и низкая

эффективность. Прогресс оптических сетей приведет к увеличению их

эффективности по сравнению с электронными системами. Рассмотрим

кольца SONET/SDH. Все мультиплексоры ввода-вывода на кольце должны

работать на одной и той же скорости. В работе [17.4] указано, что это может

вести к неэффективности и затрате дополнительных средств в транспортных

сетях, учитывая то, что некоторые маршруты значительно более загружены

по сравнению с другими. Если кольцо создано в полностью оптической сети,

то некоторые длины волн могут работать на разных скоростях, например,

ОС-24, ОС-48, ОС-192.

17.6.1. OADM и ОХС улучшают доступность и безотказность

системы

Главным шагом в сторону создания полностью оптической сети

является добавление как OADM (оптических мультиплексоров ввода-

вывода), так и ОХС (оптических кросс-коммутаторов). Эти сетевые элементы

дают несущим возможность реконфигурировать сетевой трафик для

оптимизации транспортировки данных. Они будут также иметь возможность

быстрого восстановления в случае отказа линии, все это будет происходить

внутри оптического уровня.

ОХС — динамический коммутатор, осуществляющий соединение

между любыми М входными волокнами и любыми N выходными волокнами

в сети DWDM. Следовательно, оптические кросс-коммутаторы имеют в

матрице конфигурации неблокирующие соединения типа 1:N. ОХС

обеспечивает хорошую выживаемость сети, низкую стоимость обслуживания

и реконфигурируемые пути для маршрутизации сигнала на оптическом

уровне. Эти возможности помогают исключить необходимость в сложной и

дорогой операции цифровой коммутации в электрической области. Так как

они оперируют в оптической области, ОХС могут, потенциально,

аккомодироваться к терабитным потокам данных, благодаря своим

оптическим несущим, высокой скорости и прозрачности протоколов [17.3].

17.7. Совершенствование управления новой сетевой архитектурой

Как говорилось выше, сетевая архитектура будет двухуровневой.

Специалисты в области IP-маршрутизации и оптические специалисты

договорились, что единственный путь контролировать оба уровня — это

использовать протокол многопротокольной коммутации по меткам (MPLS).

Сам протокол для этих приложений был несколько модифицирован и, как

отмечалось выше, стал именоваться MPS. Каждая плоскость управления

(оптическая и IP-маршрутизации) имеют две фазы в программе коммутации.

Одна фаза устанавливает маршрут, вторая фаза постоянная — внутри нее

информация о текущем состоянии сети передается на каждый узел для

формирования маршрута, а затем пакеты отправляются в путь.

MPS заменит два текущих протокола, работающих на нижних

уровнях, с их различными вариантами, используемыми для различных

случаев. Во-первых, эти традиционные семейства протоколов во многом

зависят от реализации производителя. Во-вторых, IP и SONET/SDH во

многом отличаются друг от друга и, в-третьих, они очень медленно работают

по сравнению с тем, что необходимо при восстановлении, обеспечении

трафиком и защите.

Существуют два сообщества, MPLS и MPS, они не согласованы лишь

в одном, либо логическое управление в каждом наборе IP-маршрутизаторов,

формирующих уровень IP, будет уведомлено (с точки зрения топологии) о

том, какая последовательность прохода в ОХС формирует световой маршрут

через облако оптической сети, либо оптический уровень установит этот мар-

шрут независимо, а затем сообщит IP-уровню, где его конечные точки, без

уведомления о том, какая последовательность прохода в ОХС формирует

световой маршрут. Некоторые исследователи (Paul Green, [17.5]) полагают,

что будет преобладать второй вариант, по крайней мере, сначала.

Защитное переключение, рассмотренное выше в разд. 12.5, в первую

очередь привлекло внимание при рассмотрении вопросов целостности опти-

ческого уровня. Для активации защитного переключения, требуется предва-

рительно загруженная программа/алгоритм, подобный тому, который

используется в системах SONET/SDH. Включение защитного переключения

оказывает воздействие только на небольшую часть сети. Это функция

оптического уровня, и спусковым механизмом для его активации может быть

потеря (требуемого) уровня отношения оптический сигнал/шум (OSNR).

Аналогично тому, что имеет место в существующих схемах защитного

переключения, в нашем случае также есть фаза восстановления, в которой

происходит замена отказавшего оптического пути на другой. Как только

процесс восстановления закончен, этот отказавший блок, ставший теперь

работающим, переходит в категорию защитного блока.

Обеспечение трафиком/реконфигурация становится довольно интерес-

ным аспектом. В работе [17.5] описано условие прокладки «запасной» воло-

конной емкости, где емкость волокна или кабеля намеренно остается неис-

пользованной (так называемые «темные волокна»). Эта емкость может быть

разделена между операторами сетей, кто может устанавливать на них обору-

дование, при условии уплаты ренты в расчете на одну несущую.

17.8. Полностью оптические кросс-коммутаторы

Уже в процессе подготовки этой книги на сцене появились большие

полностью оптические кросс-коммутаторы. Это были

микроэлектромеханические системы (MEMS), которые вначале были

устройствами типа 2D, а сейчас эволюционировали в устройства типа 3D.

При разработке концепции коммутатора MEMS типа 2D был использован

опыт создания старых аналоговых схем матричных коммутаторов.

MEMS содержит N

поворачивающихся зеркал, которые отклоняют

коллимированный свет, переводя его от входного порта к выходному, так как

показано на рис. 17.8(а). На рис. 17.8(б) показан механизм переключения

MEMS, состоящий только из 2N зеркал, N из которых направляют входы на

определенные выходы, а другие N — направляют выходы обратно к входам.

В работе [17.5] утверждается, что преимуществом схем типа 3D является

линейная зависимость масштабируемости от числа портов (по сравнению с

квадратичной зависимостью для схем типа 2D, но они требуют аналогового

управления наклоном зеркала, в отличие от цифрового (двоичного) для схем

типа 2D.

Рис. 17.8. Оптические кросс-коммутаторы (ОХС). (а) типа 2D, использует

двоичное управление положением зеркала, (б) тип 3D, использует аналоговое

управление положением зеркала, (в) многоплоскостная (мультиплановая)

архитектура, использующая множество модулей типа 2D, внизу показан

набор блоков волновых конверторов. (С разрешения IEEE Communications

Magazine, [17.5], рис. 3).

Схемы ОХС типа 3D имеют другие преимущества. Устройства с

большим количеством портов могут быть использованы для обслуживания

как всего, так и части волокна с большим количеством несущих длин волн.

Их стоимость относительно низкая и они не страдают от большого затухания,

вызванного наличием большого количества внутренних соединений,

требуемых для реализации больших неблокирующих NN структур из

множества (N) небольших элементов типа 2D. Эти элементы имеют размеры

не более 3232 [17.5].

Еще одна проблема возникает в случае использования ОХС только для

WDM коммутации, т.е. для оптического переключения длин волн, — это

прозрачность протокола. Внутри ОХС мы хотели бы иметь путь между дли-