[04-2024] Применение фотонных коммутаторов в телекоммуникационных системах

[Admin]

Применение фотонных коммутаторов в телекоммуникационных системах

КАЗАНСКИЙ Николай Александрович, Российский университет транспорта (МИИТ), доцент, канд. техн, наук, Москва, Россия
Лысюк Полина Игоревна, Колледж связи имени П.М. Вострухина, преподаватель спец, дисциплин, Москва, Россия
Ключевые слова: телекоммуникационные системы инфраструктуры железнодорожного транспорта, фотонная коммутация, базовые коммутаторы, структурные характеристики фотонных коммутаторов

Аннотация. Применение технологии фотонной коммутации в оптических телекоммуникационных системах железнодорожного транспорта обусловлено необходимостью коммутации потоков передаваемых данных в оптической форме. Использование фотонных коммутаторов (ФК) позволяет обеспечивать статическое и динамическое изменение маршрутов передачи потоков оптических сигналов. Конструктивно структура ФК состоит из взаимосвязанных между собой бинарных базовых коммутаторов (БК) емкостью 2x2, способных находиться в одном из двух состояний: «cross» и «Ьаг». Приведен сравнительный анализ характеристик структур ФК и сформулированы рекомендации по их применению в телекоммуникационных системах железнодорожного транспорта.

В связи с увеличением объема передаваемой информации в узлах связи и центрах обработки данных к пропускной способности современных систем телекоммуникаций предъявляются все более высокие требования. С одной стороны, волоконно-оптические линии связи способны передавать информационные потоки со скоростью порядка 1 Тбит/с, с другой - самые производительные коммутаторы не позволяют обработать этот объем информации без задержек, так как их пропускная способность значительно ниже (только сотни Гбит/с). Данное несоответствие обусловлено тем, что на практике чаще всего используются оптоэлектронные коммутаторы, обладающие недостаточным быстродействием для обработки больших объемов информации.

Задачу транспортировки больших объемов данных без задержек способны решить полностью оптические фотонные коммутаторы. Они имеют такие преимущества, как высокое быстродействие, малые размеры, небольшая потребляемая мощность, низкие потери и др. В связи с этим, задача построения полностью
оптических телекоммуникационных систем нового поколения, обладающих высоким быстродействием и производительностью, представляется актуальной для проектирования и имеет большое практическое значение.
При этом развитие высокоскоростного железнодорожного транспорта требует внедрения новых телеком-
муникационных технологий. Одной из них является коммутация оптических каналов передачи данных с использованием фотонных коммутаторов. Процессы коммутации сигналов в таких коммутаторах происходят на фотонном (оптическом) уровне. Их построение основано на использовании многозвенных топологий, выполненных на бинарных базовых коммутаторах БК, которые представляют собой простейшие коммутационные элементы с одним или двумя входными/выходными портами. Концепции построения ФК базируются на топологиях известных коммутационных схем, которые, как правило, носят фамилии их создателей: схемы Бенеша, Шпанке, Шпанке-Бенеша, сеть Клоза и др.

Одна из особенностей телекоммуникационных систем железнодорожного транспорта состоит в необходимости оперативного перераспределения передаваемых цифровых потоков данных в оптических магистральных сетях связи [1]. Применение технологии фотонной коммутации позволит осуществлять как статическую (постоянную), так и динамическую (оперативную) коммутацию передаваемых цифровых потоков.


В настоящее время технология фотонной коммутации цифровых потоков реализуется в перестраиваемых оптических мультиплексорах ввода-вывода (ROADM) [2, 3], в коммутаторах второго и третьего уровней вычислительных центров, в коммутаторах пассивных оптических сетей PON [4]. Перспективным является применение ФК в разрабатываемых фотонных компьютерах вычислительных центров железнодорожного транспорта [5].
Структура ФК состоит из взаимосвязанных между собой бинарных базовых коммутаторов емкостью 2x2. Каждый БК может находиться в одном из двух состояний: «cross» или «Ьаг» (рис. 1). Состояние «cross» соответствует соединению разноименных входов и выходов, например, первого входа с его вторым выходом или второго входа с первым выходом. Состояние «Ьаг» определяется соединением одноименных входов и выходов БК. Изменение состояний базовых коммутаторов происходит под действием соответствующих команд системы управления ФК.
К основным структурным характеристикам фотонных коммутаторов относятся: емкость, соответствующая количеству входов/выходов; общее количество БК в структуре ФК, а также общее количество маршрутов коммутации; количество звеньев коммутации в маршруте.

Структурные характеристики ФК оказывают влияние на энергетику и вероятностные свойства коммутируемых оптических сигналов, в том числе на затухание мощности коммутируемых оптических сигналов, количество маршрутов коммутации и вероятность возникновения внутренних блокировок.
Структура фотонных коммутаторов Бенеша, Шпанке и Шпанке-Бенеша емкостью 4x4 приведена в качестве примера на рис. 2, 3, 4 соответственно. Причем структура ФК Бенеша состоит из трех звеньев коммутации, а Шпанке и Шпанке-Бенеша - из четырех звеньев коммутации. В структуре Бенеша и Шпанке-Бенеша общее число бинарных базовых коммутаторов - 6, а в структуре Шпанке - 24. Отличительная особенность структуры ФК Шпанке-Бенеша заключается в наличии маршрутов коммутации разной длины.
В процессе исследований с использованием общенаучных и инженерных методов математического моделирования, теории вероятностей и массового обслуживания получены аналитические выражения, позволяющие вычислить структурные характеристики фотонных коммутаторов Бенеша, Шпанке, Шпанке-Бенеша, PILOSS, «матричных схем» [6]. Результаты расчетов количества звеньев коммутации и общего количества БК в структурах ФК представлены в табл. 1,2. Полученные данные показывают, что структурные характеристики ФК Бенеша имеют лучшие показатели в сравнении с остальными структурами.
Результаты выполненных исследований и расчетов позволили сформулировать следующие выводы. В структурах ФК Шпанке число звеньев коммутации в среднем на 10 % увеличено по сравнению со структурами Бенеша. В структурах Шпанке-Бенеша и Матричной увеличение числа звеньев коммутации происходит по нелинейному степенному закону и зависит от емкости структуры ФК. Кроме того, в структурах Шпанке-Бенеша число звеньев коммутации вдвое превышает аналогичный показатель для структур PILOSS.

На основании проведенного исследования можно сделать вывод о том, что для телекоммуникационных систем железнодорожного транспорта перспективным является использование структур ФК Бенеша (с точки зрения количества БК и звеньев коммутации).

СПИСОК источников

1. Казанский Н.А., Лысюк П.И. Перспективы применения технологии фотонной коммутации в интеллектуальных транспортных системах // Интеллектуальные транспортные системы: материалы II Международной научно-практической конференции. Москва : РУТ (МИИТ), 2023. С. 179-183.
2. Рекомендации МСЭ-Т G.697 (11/2016). Оптический контроль систем плотного мультиплексирования с разделением по длине волны. Женева: ITU, 2016. 40 с.
3. Алексеев Е.Б. Особенности и перспективы применения ROADM на сетях связи // Вестник связи. 2007. №9.0.122-126.
4. Пассивные волоконно-оптические сети. Проектирование, оптимизация и обнаружение несанкционированного доступа// Е.Б. Алексеев, И.А. Булавкин, А.Г. Попов, В.И. Попов. М.: ИД «Медиа Паблишер», 2014. 206 с.
5. Степаненко С.А. Фотонный компьютер: структура и алгоритмы, оценки параметров //Фотоника. 2017. № 7 (67). С. 72-83.
6. Казанский Н.А., Лысюк П.И., Музафаров И.Ф. Основные направления научных исследований в области внедрения перспективных оптических технологий в инфраструктуры транспортных систем // Информатизация и связь. 2021. Na 5. С. 73-80.