Potrzeba Elastyczności: Od Sztywnych Pasów do Inteligentnych Dróg

Tradycyjne sieci WDM działają w oparciu o sztywną siatkę kanałów. Wyobraź sobie autostradę z ustaloną liczbą pasów, z których wszystkie mają dokładnie tę samą szerokość (np. 50 GHz). Mały motocykl (usługa o niskiej przepływności) jest zmuszony zająć cały pas, marnując większość miejsca. Z kolei bardzo szeroki pojazd (usługa o wysokiej przepływności) może nie zmieścić się na jednym pasie i musi być rozdzielony na dwa, co jest nieefektywne.

Takie podejście „jeden rozmiar dla wszystkich” prowadzi do znacznego marnotrawstwa najcenniejszego zasobu w sieci optycznej: widma. Aby rozwiązać ten problem, wprowadzono koncepcję Elastycznej Siatki, przekształcając sztywną autostradę światła w inteligentny, dynamiczny system drogowy, w którym szerokość pasów można precyzyjnie dopasować do przewożonego ruchu. Jest to kluczowa technologia umożliwiająca działanie Elastycznych Sieci Optycznych (EON).

Anatomia Elastycznej Siatki

Elastyczna siatka całkowicie redefiniuje sposób zarządzania widmem. Zamiast predefiniowanych, szerokich kanałów, całe dostępne widmo optyczne (na przykład pasmo C, czyli zakres częstotliwości o szerokości ~4,4 THz) jest podzielone na bardzo dużą liczbę małych, jednolitych plasterków.

Szczelina Częstotliwościowa (FS): Kwant Widma

Fundamentalnym elementem budulcowym elastycznej siatki jest Szczelina Częstotliwościowa (FS - Frequency Slot). Pomyśl o niej jako o najmniejszym, niepodzielnym „pikselu” lub „kwancie” widma. Zgodnie ze standardem ITU-T G.694.1, szczeliny te mają nominalną częstotliwość środkową $(f_{\text{śr}})$ i szerokość $(\Delta f_{\text{szczeliny}})$.

• Szerokość Szczeliny: Szerokość pojedynczej szczeliny jest zdefiniowana jako wielokrotność podstawowej granulacji, zazwyczaj $m \times 6.25 \text{ GHz}$ (gdzie $m$ jest liczbą całkowitą). Najczęściej stosowana granulacja to 12.5 GHz. Jest to wartość znacznie mniejsza niż stałe kanały 50 GHz lub 100 GHz w starszych systemach WDM.
• Częstotliwość Środkowa: Każda szczelina ma precyzyjnie zdefiniowaną częstotliwość środkową, obliczaną na podstawie centralnego punktu odniesienia (193.1 THz) jako $193.1 \text{ THz} + n \times \text{granulacja}$, gdzie $n$ to indeks całkowitoliczbowy.

Budowa Kanału Optycznego

W elastycznej siatce kanał optyczny nie jest już stałym bytem, lecz dynamiczną konstrukcją tworzoną na żądanie. Jest on definiowany poprzez alokację określonej liczby sąsiadujących szczelin częstotliwościowych dla danego połączenia.

• Alokacja Ciągła: Szczeliny częstotliwościowe przypisane do jednego połączenia muszą być ciągłe, co oznacza, że tworzą nieprzerwany, spójny blok widma. Nie można przydzielić szczelin 1, 2 i 5 do tego samego kanału, pomijając 3 i 4.
• Zmienna Szerokość: Całkowita szerokość (pasmo) kanału jest określona przez liczbę szczelin ($N$), które on zajmuje.

  $\text{Szerokość Kanału} = N \times \Delta f_{\text{szczeliny}}$

• Pasma Ochronne (Guard Bands): Aby zapobiec interferencjom między sąsiednimi kanałami, wymagany jest mały odstęp, znany jako Pasmo Ochronne. Zazwyczaj jest ono realizowane poprzez pozostawienie jednej lub więcej pustych szczelin częstotliwościowych między blokami zajmowanymi przez dwa różne połączenia.

Zasady Ruchu: Ograniczenia Widmowe

Elastyczność siatki wiąże się z dwoma kluczowymi zasadami, czyli ograniczeniami, które muszą być przestrzegane podczas ustanawiania połączenia w sieci.

1. Warunek Ciągłości Widma (w obrębie łącza)

Jak wspomniano powyżej, $N$ szczelin przydzielonych jednemu połączeniu na dowolnym pojedynczym łączu światłowodowym musi tworzyć jeden, spójny, nieprzerwany blok. Jest to fizyczny wymóg wynikający z budowy komponentów optycznych (takich jak przełączniki i filtry), które są zaprojektowane do obsługi ciągłych fragmentów widma.

2. Warunek Ciągłości Widma (na całej ścieżce)

Jest to trudniejsze i bardziej wpływowe ograniczenie. Gdy połączenie optyczne przebiega przez wiele łącz światłowodowych (np. z Węzła A do B, następnie z B do C i z C do D), musi ono zajmować dokładnie ten sam blok szczelin częstotliwościowych na każdym pojedynczym łączu wzdłuż całej swojej trasy.

Wyobraź sobie jazdę samochodem z Gdańska do Krakowa. Warunek Ciągłości Widma jest jak zasada, która mówi, że jeśli zaczniesz podróż na 3. pasie autostrady A1, musisz pozostać na 3. pasie na każdym kolejnym odcinku autostrady przez całą drogę do celu. Nie możesz zmieniać pasów.

Dlaczego istnieje ta zasada? Ograniczenie to wynika z braku praktycznych, tanich i w pełni optycznych "konwerterów długości fali" w większości obecnych węzłów sieciowych. Przełącznik optyczny (BV-OXC) może przekierować blok światła z wejścia na wyjście, ale nie może łatwo zmienić jego "koloru" (pozycji w widmie częstotliwości). Znalezienie wspólnego, ciągłego bloku wolnych szczelin na długiej, wieloetapowej ścieżce jest głównym wyzwaniem problemu Trasowania i Alokacji Widma (RSA) i może prowadzić do zjawiska zwanego fragmentacją widma.