Высоконадежная кольцевая оптическая сеть

Изобретение относится к телекоммуникационным технологиям и компьютерным сетям. Технический результат состоит в поышении эффективности и надежности связи в оптических сетях доступа к широкополосным мультимедийным услугам информационно-телекоммуникационных сетей при переходе к пакетным сетям следующего поколения, а также в высоконадежных локальных сетях передачи данных с расширенной зоной покрытия, используемых в транспортных инфраструктурах. Для этого на крупных распределенных объектах применяют высоконадежные оптические сети, представляющие самовосстанавливающиеся кольцевые сети передачи данных на базе одноволоконной оптической инфраструктуры, обеспечивающей безотказную связь пользователей при однократных обрывах оптических линий с использованием принципа волнового уплотнения, при этом максимальная скорость в оптоволоконных линиях таких сетей может составлять до 160 Гбит/с. 1 ил.

 

Предлагаемое изобретение относится к телекоммуникационным технологиям.

Применение данного изобретения в телекоммуникационных сетях позволит реализовать эффективные системно-сетевые решения в сетях доступа к широкополосным мультимедийным услугам, в локальных сетях большой протяженности, а также в магистральных и других сетях, при переходе к широкополосным пакетным сетям следующего поколения NGN-IMS (Next Generation Network - Internet Multimedia Subsystem - сети следующего поколения - Интернет мультимедиа субсистемы).

Применение предлагаемого изобретения позволит строить на его основе высоконадежные дублированные самовосстанавливающиеся кольцевые пакетные сети с высокой эффективностью использования оптоволокна, с использованием принципа волнового уплотнения, на основе типовых коммутаторов пакетов информации.

С помощью предлагаемого изобретения могут быть построены сети типа «стянутая в точку магистраль на коммутаторе» с большой (до 40-60 км) протяженностью линий. Такие сети должны иметь одноволоконную кольцевую топологию, а однократные обрывы оптоволокна не должны приводить к потере связи включенных в них абонентов.

Это преимущество достигается за счет применения в предлагаемой двунаправленной кольцевой оптической сети дублирования направлений передачи по длинам волн, а не пространственного дублирования волокон, как в традиционных сетях.

Этого удается достичь за счет использования одной группы длин волн для передачи информационных потоков в одном направлении и другой группы длин волн для передачи в противоположном направлении. Данное преимущество открывает возможность применения в качестве физической среды распространения в предлагаемой дублированной сети всего одного волокна с обеспечением автоматического восстановления работоспособности при возникновении однократных разрывов волокна.

В качестве прототипа выбрана пакетная компьютерная сеть, использующая структурный принцип «стянутая в точку магистраль на коммутаторе», описанная в книге: В.Г. Олифер, Н.А. Олифер. Компьютерные сети. Принципы, технологии, протоколы: учебник для вузов. 2-е изд. - СПб.: Питер, 2005 - 864 с.: ил., на стр.467, рис.10.15.

Прототип - компьютерная сеть, построенная на коммутаторах пакетов информации по принципу «стянутая в точку, или коллапсированная, магистраль» - это структура, при которой объединение узлов, сегментов или сетей происходит на внутренней магистрали коммутатора. Преимуществом такой структуры является высокая производительность магистрали.

Очевидным недостатком прототипа является необходимость применения большого объема кабельных систем, соединяющих центральный коммутатор (коммутатор здания на рис.10.15 указанной книги) с периферийными коммутаторами (коммутаторами этажей на рис.10.15). Кроме этого при обрывах кабелей, показанных на рис.10.15 книги, пропадает связь абонентов, включенных в соответствующие коммутаторы этажей.

Задачей данного изобретения является создание такой высоконадежной оптической сети, в которой обеспечивается автоматическое восстановление работоспособности при обрывах линий, которая имеет значительно меньший объем линейных сооружений, чем в прототипе, а также повышенную (до 40-60 км) дальность связи при высокой эффективности использования оптоволокна.

Техническим результатом является улучшение эксплуатационных и технологических характеристик оптической сети.

Для достижения поставленной задачи предлагается дополнить оптическую сеть приемопередатчиками оптическими (по четыре на подключение каждого абонента, с передатчиками, настроенными на 2N длин волн, где N - число абонентов, включенных в сеть), первым и вторым оптическими мультиплексорами на N длин волн и оптическими мультиплексорами ввода-вывода (по два на каждого абонента).

Предлагается высоконадежную кольцевую оптическую сеть выполнить следующим образом: ввести 4N приемопередатчиков оптических, первый и второй мультиплексоры оптические на N длин волн, 2N мультиплексоров ввода-вывода оптических, причем группа приемопередатчиков, находящихся на стороне центрального коммутатора, связана через двунаправленные интерфейсы передачи данных с портами этого коммутатора, а оптические интерфейсы этих приемопередатчиков подключены к соответствующим портам первого и второго оптических мультиплексоров, объединенные порты которых соединяются по кольцевым оптическим линиям с соответствующими объединенными портами оптических мультиплексоров ввода-вывода, соединенных друг с другом кольцевыми оптическими линиями, а к соответствующим портам ввода-вывода этих мультиплексоров присоединены оптические приемопередатчики абонентских коммутаторов, которые по двунаправленным интерфейсам передачи данных присоединены к соответствующим магистральным портам этих коммутаторов, а к остальным портам коммутаторов подключаются абонентские устройства.

На базе предлагаемой высоконадежной кольцевой оптической сети могут быть реализованы высокоэффективные широкополосные сети доступа большой протяженности с кольцевой топологией с функцией автоматического восстановления при однократных обрывах линий, высоконадежные локальные сети крупных предприятий, расположенных на обширных территориях, сети транспортных инфраструктур, крупных морских судов и других объектов.

На фиг.1 приведен один из примеров построения высоконадежной кольцевой оптической сети, где:

1 - коммутатор пакетов центральный;

2₁₁₁-2_N22 - приемопередатчики оптические;

3₁, 3₂ - первый и второй мультиплексоры оптические;

4 - мультиплексоры ввода-вывода оптические;

5 - коммутаторы пакетов периферийные;

6 - устройства оконечные.

Коммутатор 1 пакетов центральный предназначен для осуществления коммутации пакетов информации, предаваемых в сети и между данной сетью и другими сетями, обеспечения работы интерфейсов с оптическими приемопередатчиками, поддержания функционирования протоколов, обеспечивающих переход на тракты портов резервных направлений при отказах трактов портов основных направлений.

Приемопередатчики 2 оптические предназначены для преобразования электрического линейного сигнала в оптический сигнал, ввода оптической мощности в оптоволоконные световоды оптических линий, преобразования оптического сигнала, приходящего из линий, в электрический линейный сигнал, диагностики аварийных состояний лазерного передатчика и уровней оптических мощностей приема.

Первый и второй оптические мультиплексоры 3₁, 3₂ предназначены для объединения компонентных волновых сигналов, поступающих от оптических передатчиков через порты соответствующих длин волн в агрегатный многоволновый сигнал, а также для разделения агрегатных сигналов, поступающих из кольцевых линий, на компонентные сигналы соответствующих длин волн, подаваемые на входы соответствующих оптических приемников.

Мультиплексоры ввода-вывода оптические 4₁₁-4_N2 предназначены для выделения из кольцевой оптической линии сигналов соответствующих длин волн основного и резервного направлений (трактов) передачи и пропускания сигналов других длин волн транзитом, а также для ввода в линию сигналов соответствующих длин волн.

Коммутаторы пакетов 5 периферийные предназначены для осуществления коммутации пакетов информации на уровне групп абонентов, связи с центральным коммутатором, обеспечения работы интерфейсов с оптическими приемопередатчиками, поддержания функционирования протоколов, обеспечивающих переход на тракты портов резервных направлений при отказах трактов портов основных направлений.

Устройства 6 оконечные предназначены для ввода-вывода информации пользователей (абонентов), а также для поддержания функционирования стека сетевых протоколов и сетевых интерфейсов пользователей.

Основные преимущества предлагаемой высоконадежной кольцевой оптической сети сводятся к следующему.

1. Важным преимуществом предлагаемой сети является возможность применения экономичной кольцевой одноволоконной топологии, требующей незначительных объемов линейных сооружений.

2. Предлагаемая сеть позволяет обеспечить большую протяженность (до 40-60 км) кольцевых оптических линий, что раскрывает возможность ее применения для покрытия больших территорий.

3. Предлагаемая сеть при использовании одноволоконной кольцевой топологической структуры обеспечивает автоматическое восстановление работоспособности при однократных обрывах линий, т.е. однократные обрывы не приводят к пропаданию связи абонентов сети.

4. Предлагаемая сеть обеспечивает эффективное использование оптоволокна за счет применения принципа волнового уплотнения. Суммарная скорость передачи в кольцевой линии может достигать значений около 100 Гбит/с.

5. Существенным преимуществом предлагаемой сети является возможность монопольного использования абонентами всей пропускной способности выделенных им волновых каналов (до 10 Гбит/с) и симметрия пропускной способности направлений передачи, что является выгодным отличием предлагаемой сети от многих других сетей, реализующих временное разделение канального ресурса между абонентами (например, жезловое кольцо, кембриджское кольцо, пассивная сеть GPON и другие).

Предлагаемая высоконадежная кольцевая оптическая сеть была реализована во ФГУП ЦНИИС (в филиале ЛО ЦНИИС) на основе следующих компонентов.

В качестве коммутаторов пакетов 1 центрального и 5 периферийного были использованы коммутаторы пакетов уровня L3 и L2 соответственно, разработанные и выпущенные в ЛО ЦНИИС (экспериментальные образцы), а также в процессе экспериментов для этой цели использовались коммутаторы пакетов производства фирмы D-Link серии DES 3800.

В качестве приемопередатчиков 2₁₁₁-2_N22 оптических были использованы приемо-передающие модули TRSF15d-80, установленные непосредственно в коммутаторы, а также в составе медиаконвертеров типа MCFP2 - 10/100/1000.

В качестве первого и второго мультиплексоров оптических были использованы серийные CWDM-мультиплексоры, разработки и производства ЗАО «Компонент», типа CWDM-MUX 1×4 1550-1610 3.0 LC/UPC 1,5 м.

В качестве мультиплексоров ввода-вывода оптических были использованы серийные оптические мультиплексоры ввода-вывода разработки и производства ООО «Протелеком» типа CWDM OADM-2F-15-MOD 111-1313 (1314) (2 fiber 1 channel).

В качестве оконечных устройств применялись персональные компьютеры в стандартной комплектации, сопряженные с видеокамерой через TV-тюнеры Behold TV Voyage, USB, Retail (для демонстрации работоспособности сети в режиме видеотрансляции). Реализованный сегмент сети был использован в составе построенного в ФГУП Центральный НИИ связи - ФГУП ЦНИИС, в Санкт-Петербургском филиале (ЛО ЦНИИС) экспериментального образца сегмента широкополосной сети доступа CWDM-PON, который затем был интегрирован в состав научно-исследовательского стенда филиала ЛО ЦНИИС для исследования и демонстрации элементов программно-аппаратного комплекса экстренного оповещения и информирования населения (ПАК КСЭОИН), где исправно функционирует в настоящее время в составе экспериментального образца сегмента CWDM-PON с общей протяженностью кольцевых линий 40 км (4 барабана волокна по 10 км каждый).

Высоконадежная кольцевая оптическая сеть, включающая центральный коммутатор пакетов, периферийные коммутаторы пакетов и устройства оконечные, отличающаяся тем, что содержит приемопередатчики оптические, по четыре на подключение каждого оконечного устройства, при этом передающие части приемопередатчиков настраиваются на 2N длин волн, где N - число оконечных устройств, включенных в сеть, а также содержит первый и второй оптические мультиплексоры на N длин волн и оптические мультиплексоры ввода-вывода, по два на каждое оконечное устройство, причем порты максимальной скорости центрального коммутатора пакетов связаны с высшей иерархией сети, а порты меньшей скорости этого коммутатора соединяются с электрическими двунаправленными интерфейсами приемо-передатчиков оптических, находящихся на стороне центрального коммутатора, а оптические интерфейсы этих приемопередатчиков подключены к соответствующим портам первого и второго оптических мультиплексоров, объединенные порты которых соединяются посредством кольцевых оптических линий с соответствующими объединенными портами оптических мультиплексоров ввода-вывода, соединенных друг с другом кольцевыми оптическими линиями, порты вывода мультиплексоров ввода-вывода соединены с приемными портами, а порты ввода мультиплексоров - с передающими портами оптических приемопередатчиков, находящихся на стороне оконечных устройств, двунаправленные интерфейсы передачи данных этих приемопередатчиков подключены к портам максимальной скорости периферийных коммутаторов, а порты меньшей скорости этих коммутаторов соединены с сетевыми интерфейсами оконечных устройств.