Гибкие интерфейсы Flexi-rate

Когерентные методы передачи в оптических сетях связи развивались по пятам беспроводных технологий и производители пытались найти свою нишу для применения этих методов в ВОЛС. В первом семействе когерентных технологий использовалась модуляция 16QAM, при этом могла достигаться скорость передачи данных до 200G. Стоимость передачи данных была снижена на 50% и технология могла быстро получить широкое распространение, если бы решился вопрос с предельной дальностью передачи, которая изначально не позволяла использовать такие технологии в городских сетях и даже в ядре.

И только распространение центров обработки данных позволило вновь начать рассматривать когерентную технологию 200G как средство организации недорогой передачи данных для платформ, используемых в ЦОДах.

Гибкие интерфейсы Flexi-rate

На рисунке 1 изображены основные на сегодняшний день методы передачи данных, которые могут использоваться в интерфейсах с гибкой пропускной способностью. Форматы QPSK, BPSK, 8QAM и 16QAM поддерживаются существующими интегральными схемами цифровой обработки сигнала, более сложные схемы модуляции, такие как 64QAM, активно осваиваются для дальнейшего снижения стоимости подключений типа "точка-точка" в рамках дата-центров.

В опорных сетях связи основная роль отводится формату 8QAM. Этот формат позволяет удовлетворить все требования магистральных сетей связи протяженностью до 1500 км с применением усилителей EDFA, при этом имеет меньший чем у 100G QPSK показатель стоимости передачи каждого бита.

Актуальные интерфейсы передачи данных

Рис. 1. Сравнение дальности и емкости для различных интерфейсов

Отдельного внимания заслуживает неоднозначная технология 16QAM. Формат 16QAM позиционировался как технология для городских сетей связи. Но мнение о том, что 16QAM, поддерживающий только относительно короткие расстояния, сможет перекрыть все требования городских сетей оказалось ложным. Стоимость развертывания технологии и передачи каждого бита оказалась выше, чем у уже используемых технологий. Так же не удовлетворялись и другие требования: компактные DSP с низким энергопотреблением, стандартные и распространенные коннекторы, возможность использования простейших недорогих усилителей, отсутствие необходимости постоянного контроля параметров линии. Все это не сочетается с возможностями гибких интерфейсов на основе 16QAM.

Миграция с нескольких лямбд 10G на когерентную технологию экономически эффективна только в случае использования полной емкости каналов, а передача 20 каналов по 10G не свойственна для городских сетей. К тому же в городских сетях нет недостатка в волокнах и спектральная эффективность технологии по большому счету не имеет решающего значения. Уже сейчас существуют предпосылки к появлению 200G 8QAM, что не оставляет шансов формату 16QAM в магистральных сетях. 16QAM имеет шанс занять нишу в небольших опорных сетях, где требуется скорость передачи до 200G.

Гибкие интерфейсы и Flexi-grid

Пока гибкие схемы модуляции интерфейсов Flexi-rate агрессивно продвигались на рынок с описанием всех плюсов (что в итоге привело к росту объема поставок оборудования), наличие гибкого оптического уровня Flexi-grid, позволяющего по сути конфигурировать физическую среду передачи за счет изменения сетки частот, рассматривалось как формальное требование, которое должно выполняться, без понимания его преимуществ. В тот момент вся отрасль была занята демонстрациями каналов 400G, 1T и даже 2T супер-каналов, которые были ничем иным как композицией стандартных каналов с использованием спектрального уплотнения с фиксированной сеткой..

Flexi-grid в волоконно-оптических сетях

Рис. 2. Примеры возможностей Flexi-grid

На рисунке 2 изображены примеры использования гибкой сетки для передачи данных на скорости 400G (4x100G). В первом случае (рис. 2, А) гибкая сетка используется для увеличения спектральной эффективности оптического волокна за счет уменьшения интервалов между различными несущими длинами волн. В результате спектральная эффективность может быть увеличена более чем 33%, что отдаляет необходимость развертывания новых сетей на 1-2 года, в зависимости от темпов роста требований к пропускной способности. Кроме отложенной необходимости развертывания сетей, гибкая сетка позволит экономить на передаче данных сразу после внедрения. Во втором случае использования (рис. 2, Б) при формировании супер-каналов требования в спектральной плотности останутся прежними, но расстояние передачи данных может быть увеличено за счет использования более помехоустойчивой схемы кодирования, требующей более широкой спектральной полосы. Таким образом начальная экономия может заключаться в отказе от регенераторов или лишних усилителей, а так же в использовании другой схемы модуляции, например 8QAM вместо QPSК.

Перспективы в городских сетях

Передача данных 100G в городских сетях слегка отличается от передачи 100G по магистральным линиям. Схемы модуляции высшего порядка предположительно смогут использоваться в городских сетях не раньше, чем будут обкатаны в протяженных соединениях между центрами обработки данных.

Четырехуровневые схемы модуляции (к примеру, PAM4) с приемниками с прямым детектированием имеют все шансы на широкое распространение внутри городских сетей. По параметрам энергопотребления, производительности и стоимости интерфейсы PAM4 весьма конкурентоспособны с когерентными интерфейсами. В то же время, PAM4 имеет ряд преимуществ перед схемой модуляции DMT (Discrete Multi-Tone). Эти два формата претендуют на одну нишу рынка, поэтому скорее всего DTM в существующем виде будет вытеснен PAM4.

8QAM с низким энергопотреблением могут распространиться в городских сетях на линиях между узлами с высокими требованиями к пропускной способности, при этом 16QAM не сможет конкурировать с 8QAM за счет низких оптических характеристик (малый энергетический потенциал, низкая терпимость к каналам 10G).

Гибкие интерфейсы и защита инвестиций

Ранее при использовании гибких интерфейсов не учитывалось влияние времени. Для интерфейсов 10G и 100G с фиксированной скоростью передачи линии рассчитывались с учетом гарантированного периода безошибочной работы в течении некоторого времени, по истечении которого линия может перестать функционировать. Даже в случае прогнозируемого отказа от оператора потребуются ряд действий по запуску резервных каналов с балансировкой нагрузки на сеть или срочного введения в строй новых интерфейсов. При этом авария скажется и на репутации производителя оборудования, которое дало сбой.

Именно учет влияния временных параметров работы линии стирает грань между гибкими оптическими интерфейсами и высокоскоростными беспроводными каналами, в которых переменная скорость передачи данных была использована задолго до оптических гибких интерфейсов. В большинстве аспектов оптический канал может рассматриваться полностью аналогичным беспроводному, однако с течением времени необходимо учитывать такие моменты, как старение компонентов системы и физической среды ВОЛС.

Экономия за счет flexi-rate

Рис. 3. Как Flexi-rate экономят деньги

На рисунке 3 приведен пример ситуации, когда в начале жизненного цикла (BoL) линии развертывается 40 каналов со скоростью передачи данных 200G, а в конце (EoL) потребуется покрыть большее расстояние со скоростью не ниже 100G с учетом 80-ти каналов. Развернутая система содержит только половину от числа каналов, которые потребуются на момент EoL. Предусматривая возможность аварийного понижения емкости канала на 25G за 1 итерацию, оператор обеспечит равномерное увеличение числа каналов до планового показателя с сохранением отказоустойчивости линии. Если интерфейсы начнут сбоить при полной загрузке 200G, скорость каждого канала будет снижена до 175G. Для обеспечения полной пропускной способности линии нам потребуется 46 каналов по 175G в том же диапазоне частот, что легко реализуется за счет переменной скорости интерфейса и гибкой сетки частот. Понижение канальной скорости можно производить неоднократно. При этом стоимость ввода в эксплуатацию новых каналов будет постоянно снижаться за счет освоения технологии производства и накопления общей скидки у поставщика оборудования. В многолетней перспективе стоимость системы на момент EoL будет значительно ниже стоимости системы, в которой изначально развертывалось 80 каналов 100G.  

Гибкие интерфейсы и SDN

Нельзя не рассмотреть гибкие каналы в разрезе использования их в программно определяемых сетях SDN. По мнению большинства экспертов, текущая шумиха вокруг SDN создается операторами ЦОД, которые объединяют различные свои локации в единую виртуальную сеть. Для них гибкость оптической среды передачи данных не имеет важности в силу того, что подключение осуществляется по схеме точка-точка и не требует оптической коммутации. Т.е. гибкие интерфейсы не влияют на SDN и требуются только для достижения минимальной стоимости соединения узлов, без переконфигурации сервисов.

Все изменится когда технология SDN проникнет в мультисервисные сети. Предустановленные емкости пропускной способности могут быть задействованы или ограничены самим пользователем в зависимости от текущих задач. Сейчас концепция работает для запросов повышения емкости, но более интеллектуальный подход к коммутации потребуется для небольших клиентов, которые используют широкие каналы. В этом случае неизбежно слияние функционала гибких интерфейсов с уровней 0-1 и коммутации на 2-3 уровнях.

В итоге

Принимая во внимание универсальность, экономическую эффективность и теоретическую совместимость с перспективными технологиями, такими как SDN, можно прогнозировать, что гибкие интерфейсы Flexi-rate получат значительное распространение в сетях операторов связи.