Оптическая шина передачи данных

Интеллектуальные многоканальные оптоволоконные соединения

Проблемы высокоскоростной передачи данных

С ростом объёмов передаваемой по сети информации становится всё более актуальной проблема высокоскоростной передачи данных. Высокоскоростная передача данных, как правило, предполагает наличие между узлами сети канала связи с высокой пропускной способностью. При разработке канала с высокой пропускной способностью могут использоваться, как решения на основе медных электрических проводников, так и решения на основе оптических соединений. Любое соединение состоит из передатчика, передающего сигнал, и приёмника, принимающего сигнал. Сигнал по соединению может передаваться, как в одном, так и в двух направлениях. Так оптическое соединение может состоять, например, из оптического передатчика, оптического канала и оптического приёмника. В дуплексном режиме оптический приёмопередатчик обеспечивает, как передачу сигнала, так и приём сигнала по раздельным оптическим волокнам, находящимся, как правило, в одном оптоволоконном кабеле.

На сегодняшний день уже широко применяются каналы, обеспечивающие связь со скоростью более чем 1 гигабит в секунду (1 Гб/с), так называемые «1G-соединения». 1G-соединения хорошо стандартизованы (например, существует общедоступный стандарт Gigabit Ethernet). Оптические 1G-соединения, как правило, используются для передачи данных на дальние расстояние (более чем 100 метров).

Для высокоскоростной передачи данных применяются каналы, обеспечивающие связь со скоростью порядка 10 гигабит в секунду (10 Гб/с), так называемые «10G-соединения». При решении сложных технических задач предъявляются высокие требования к каналам передачи данных, которые становится всё труднее удовлетворять, особенно с помощью медных электрических проводников. Тем не менее, 10G-соединения на основе медных электрических проводников применяются (например, стандарт 10GBASE-CX4). 10GBASE-CX4 обеспечивает передачу данных по четырём экранированным витым парам в каждом направлении (всего восемь витых пар). Такой кабель получается достаточно громоздким (около 10 мм в диаметре) и дорогим в производстве. Кроме того, 10GBASE-CX4 может применяться только для передачи данных не далее, чем на 15 метром. Общим недостатком для всех 10G-соединений, базирующихся на медных проводниках, является высокий уровень потребления энергии. Например, стандарт 10GBASE-T обеспечивает передачу данных на расстояния от 55 до 100 метров, но из-за сложной обработки сигналов потребляет от 8 до 15 ватт на каждый порт. Если рассмотреть стандарт, обеспечивающий передачу данных на расстояния порядка 30 метров, то такое соединение будет потреблять не менее 4 ватт на каждый порт. Применение таких стандартов с высоким потреблением энергии приводит к существенному увеличению стоимости обслуживания соединений, а также вынуждает разработчиков уменьшать плотность размещения портов на передних панелях интерфейсов. Например, потребление энергии порядка 8-15 ватт на каждый порт ограничивает плотность размещения портов до 8 штук (или даже менее) на той же площади, на которой можно разместить до 48 портов, применяя стандарт 1000 BASE-T или 1G-соединение на базе оптоволокна.

Таким образом, исследования рынка электроники показывают, что при разработке каналов с высокой пропускной способностью (10G) всё чаще применяются решения на основе оптических соединений. Так на рисунке ниже представлен график из отчёта компании Luxtera, демонстрирующий изменение во времени зависимости дальности и скорости передачи данных от используемого физического канала передачи данных. График показывает, что к 2014 году произойдёт полный отказ от решений на основе медных проводников в пользу решений на основе оптических и гибридных соединений.

Многоканальные оптоволоконные соединения

Для построения высокопроизводительных систем передачи данных предлагается использовать многоканальные оптоволоконные соединения. Они обеспечивают необходимую низкую плотность оптических волокон, приемлемые размеры кабелей и решают проблему «затора каналов» (duct congestion problem), характерную для одноканальных соединений.

Разработчики многоканальных оптоволоконных соединений стремятся получить высокую плотность каналов при низком уровне потерь и перекрёстных помех. Уровень перекрёстных помех, т.е. максимальная сила влияния каналов друг на друга, определяется характеристиками оптических волокон, а также расстояниями между ними (волокнами). Очевидно, что чем больше расстояние между оптическими волокнами, тем меньше плотность многоканального оптоволоконного соединения. Уровень потерь зависит от характеристик оптических волокон и дальности передачи сигнала. Таким образом, при проектировании многоканального оптоволоконного соединения важно учитывать и оптимизировать все перечисленные выше параметры.

Из существующих средств передачи данных по многоканальным оптоволоконным соединениям можно выделить активный оптический кабель, как наиболее распространённое средство.

Активный оптический кабель

AOC, Electrical-optical active optical cable, US Patent № 2007/0237464 A1 (11 октября, 2007).

Активный оптический кабель (АОК) включает в себя, с одной стороны, встроенный электрический коннектор, а с другой – оптический коннектор. Между ними располагаются несколько оптических волокон, обеспечивающих связь внутри оптического кабеля. Связь может осуществляться, как в одном, так и в двух направлениях.

Предполагается, что хотя бы на одном из концов активного оптического кабеля находится электрический коннектор, но передача сигнала по оставшейся части кабеля осуществляется через оптоволокно. Таким образом, проектировщик сети не обязан предварительно делать выбор между соединением по медным проводникам и оптическим соединением. Вместо этого достаточно, чтобы узлы сети имели специальные порты, поддерживающие либо соединения по медным проводникам, либо оптические соединения.
Дуплексный режим передачи данных реализуется размещением на обоих концах кабеля передающих оптических компонентов (TOSA, transmit optical sub-assembly) и принимающих оптических компонентов (ROSA, receive optical sub-assembly). За управление передающими и принимающими оптическими компонентами отвечают микросхемы. Микросхемы могут размещаться внутри корпусов TOSA и ROSA либо могут быть вынесены за их пределы. При необходимости дуплексный режим может быть отключен. В этом случае передача данных будет осуществляться только в одном направлении (на одном конце кабеля будут размещаться только передатчики, на другом – только приёмники).

Когда электрический сигнал поступает на соответствующие выводы электрического коннектора (через электрический порт), он преобразовывается драйвером лазера и электронно-оптическим преобразователем TOSA в оптический сигнал. Оптический сигнал передаётся по оптоволокну к ROSA, где преобразуется оптико-электронным преобразователем ROSA в соответствующий электрический сигнал. Полученный электрический сигнал поступает на соответствующий вывод электрического коннектора и далее в электрический порт.

Рекомендуемая дальность передачи сигнала по активному оптическому кабелю составляет 30 метров. Увеличение дальности до 100 метров приводит к существенному удорожанию кабеля.

Особенностью АОК является необходимость высокоточного монтажа и юстировки передатчиков сигнала (лазеров) и приёмников сигнала (светочувствительных фотодиодов) относительно физических каналов (оптических волокон). Разработчики таких соединений решают, в основном, технологические проблемы высокоточного монтажа, стремясь разместить как можно больше каналов в корпусах небольших размеров. В качестве альтернативы АОК предлагается технология передачи данных по интеллектуальному многоканальному оптоволоконному соединению (ИМКС).

Интеллектуальные многоканальные оптоволоконные соединения

Патент РФ № 2270493, 2007 г.

Применение технологии ИМКС предполагает, что в случае частичного повреждения нескольких оптических волокон или смещения оптических волокон относительно коннектора соединение может быть оперативно восстановлено без нарушения целостности данных. Таким образом, соединение, построенное на базе технологии ИМКС, обладает свойством регенеративности (самовосстановления).

1 – активированный источник света; 2 – неактивированный источник света; 3 – мат-рица излучателей; 4 – незадействованные волокна оптошины; 5 – задействованные волокна оптошины; 6 –волокна оптошины, в которые были направлены несколько лучей света; 7 – активированные фотодиоды; 8 – неактивированные фотодиоды; 9 – активированные фото-диоды, принявшие сигнал и волокон 6; 10 – матрица фотоприёмников.

На входы лазерной матрицы – источника информации подают электрические импульсы от управляющей микросхемы источника, которые модулируют излучение лазеров. Это излучение по оптошине поступает к матрице фотодиодов, расположенной в приемнике информации, и активирует часть фотодиодов. Активированные фотодиоды генерируют поток электрических импульсов к управляющей микросхеме приёмника.

При соединении оптошину подключают к матрицам передатчика и приемника достаточно произвольно, совмещая лишь оптические области матриц и оптошины путем установки концов оптошины в оптические разъемы микросхем приемника и передатчика. Поэтому, зная только множество активированных фотодиодов матрицы-приемника, невозможно определить, каким из лазеров был испущен активировавший эти фотодиоды сигнал. Один из основных принципов работы ИМКС заключается в том, чтобы до начала передачи данных установить соответствие между каждым лазером и активируемыми этим лазером фотодиодами. Соответствующая процедура коммутации должна быть реализована в протоколе канального уровня. В ходе коммутации определяются каналы для передачи данных, т.е. устанавливается соответствие между лазером и множеством активируемых им фотодиодов.

Процедура коммутации каналов производится однократно до начала передачи данных и никак не влияет на скорость передачи в дальнейшем. При нарушении связи (частичном повреждении части оптических волокон или смещении оптошины относительно матриц приёмника и передатчика) необходимо оперативно обнаружить это нарушение и провести повторную процедуру коммутации каналов. При этом количество каналов может сократиться, т.е. уменьшится пропускная способность соединения, но связь будет восстановлена.

Заключение

Данная статья – попытка рассказать о проблеме высокоскоростной передачи данных и о возможных путях её решения, в частности о многоканальных оптоволоконных соединениях.

Чтобы было понятно моё место в этой истории, скажу, что я являюсь участником группы разработчиков, занимающейся реализацией представленной здесь технологии ИМКС. Если данная тема будет интересна читателям, то готов рассказать о нашей работе подробнее, плюс подготовить заметки на темы:

• аппаратная часть
• программная часть
• разработка, моделирование и верификация протоколов передачи данных

Спасибо за внимание, надеюсь было интересно.

Источник

Автомобильный справочник

для настоящих любителей техники

Шина MOST

Шина MOST (транспорт для медиа-ориентированных систем) была специ­ально разработана для объединения в сеть мультимедийных систем автомобиля (шина информационно-развлекательных систем). Наряду с классическими развлекатель­ными функциями, такими как радиоприем и воспроизведение CD, информационно-­развлекательные системы имеют функции видео (DVD и ТВ), навигации, доступа к мо­бильной связи и информации. Вот о том, как устроена шина MOST, мы и поговорим в этой статье.

Шина MOST

Шина MOST поддерживает логическое объединение в сеть до 64 устройств и обеспечивает фикси­рованный и резервный диапазоны передачи. Шина MOST определяет протокол, устройства, программное обеспечение и системные слои. Шина MOST совместно разрабатывается и стандартизируется автопроизводителями и поставщиками в рамках MOST Cooperation

При скорости передачи данных более 10 Мбит/с шина MOST относится к шинам класса D.

Для передачи данных шина MOST поддер­живает следующие каналы передачи:

• Канал для команд управления транспорти­ровкой;
• Мультимедийный канал (синхронный канал) для передачи аудио- и видеоданных;
• Канал пакетных данных (асинхронный канал), например, для передачи данных конфигурации для системы навигации и обновления программного обеспечения в блоках управления.

Конструктивные требования к шине MOST

Передача мультимедийных данных, как ау­дио, так и видео, требует высокой скорости передачи и синхронизации передачи между источником и получателем, а также между несколькими получателями.

Система передачи MOST

Физический слой MOST

Стандарт MOST определяет, как оптическую, так и электрическую технологии физического слоя (слоя передачи). Слой оптической пере­дачи широко распространен и в настоящее время в качестве транспортной среды ис­пользует оптоволоконные кабели (полимерное оптоволокно, POF) из полиметилметакрилата. Они имеют диаметр 1 мм и используются в сочетании со светодиодами и кремниевыми фотодиодами в качестве приемников.

Отличительной особенностью технологии MOST50 является её пригодность для электри­ческой передачи данных. Это позволяет пере­давать данные по неэкранированным кабелям с витой медной парой (UTP). В то время как технология MOST25 продолжала развиваться в Европе и получила распространение в Корее, японский рынок предпочитает MOST50 — вто­рое поколение мультимедийного стандарта.

Идентификационный номер, например, в случае MOST25, означает скорость передачи около 25 Мбит/с. Точная скорость передачи зависит от используемой системой частоты амплитудно-импульсной модуляции. При частоте амплитудно-импульсной модуляции 44,1 кГц фрейм MOST передается 44100 раз в секунду. Длина фрейма 512 бит означает ско­рость передачи 22,58 Мбит/с. Для MOST50 та же самая частота амплитудно-импульсной мо­дуляции означает двойную скорость передачи, так как длина фрейма составляет 1024 бита. Сейчас доступны и более высокие скорости передачи данных -150 Мбит/с (MOST150).

Особенности MOST 150

В дополнение к более высокой пропускной способностью -150 Мбит/с, MOST150 содер­жит изохронный механизм транспортировки для эффективной передачи сжатых данных видео высокого разрешения (HD). Транспорт­ные потоки MPEG (экспертная группа по движущемуся изображению) здесь передаются напрямую. С помощью соответствующего ви­деокодека на базе MPEG4 можно передавать видео с разрешением до 1080 строк), напри­мер, с проигрывателей BluRay. Наряду с этим, MOST150 обеспечивает канал Ethernet для эффективной передачи пакетных данных IP (IP = протокол Internet).

В отличие от протокола МАМАС (асинхрон­ное управление доступом к среде MOST), ис­пользуемого с технологией MOST25, канал Ethernet способен передавать фреймы Ethernet.

Канал Ethernet передает неизмененные блоки данных Ethernet, что означает возможность эффективной интеграции программных паке­тов и приложений в области потребительской электроники и информационных технологий в автомобили за гораздо более короткие иннова­ционные циклы. Таким образом, пакеты ТСР/ IP и протоколы, использующие TCP/IP (TCP = протокол управления передачей) могут сооб­щаться через MOST150 без изменений.

Контроллер сетевого интерфейса (NIC) шины MOST — аппаратный контроллер, от­вечающий за управление физическим слоем и имеющий важные механизмы передачи.

Источник