|
Тип
волокна
|
Одномодовое,
с ненулевой смещенной дисперсией (рек. МСЭ-Т G.655)
|
|
Рабочий
диапазон длин волн, нм
|
1530-1625
|
|
Максимальное
затухание, дБ/км
|
0,25
|
|
Коэффициент
хроматической дисперсии, пс/(нм.км), в интервале длин волн (1530-1565) нм, по
абсолютной величине
|
4
|
|
Поляризационная
модовая дисперсия (ПМД), пс/км
|
0,1
|
|
Диаметр
модового пятна на длине волны 1550 нм, мкм
|
9,6±0,4
|
|
Диаметр
оболочки, мкм
|
125±0,7
|
|
Неконцентричность
сердцевины и оболочки, мкм, не более
|
0,5
|
|
Некруглость
оболочки, %, не более
|
0,7
|
|
Диаметр
покрытия, мкм
|
242±5
|
|
Неконцентричность
оболочки и покрытия, мкм, не более
|
12
|
1.3 Основные принципы технологии
DWDM
Исторически первыми возникли двухволновые
WDM-системы, работающие на центральных длинах волн из второго и третьего окон
прозрачности кварцевого волокна (1310 и 1550 нм). Главным достоинством таких
систем является то, что из-за большого спектрального разноса полностью
отсутствует влияние каналов друг на друга. Этот способ позволяет либо удвоить
скорость передачи по одному оптическому волокну, либо организовать дуплексную
связь.
Современные WDM-системы на основе стандартного
частотного плана (ITU-T Rec. G.692) можно подразделить на три группы:
грубые WDM (Coarse WDM - CWDM) системы с
частотным разносом каналов не менее 200 ГГц, позволяющие мультиплексировать не
более 18 каналов (работают в полосе от 1270 нм до 1610 нм);
плотные WDM (Dense WDM - DWDM) системы с
разносом каналов не менее 100 ГГц. Плотное спектральное мультиплексирование
позволяет одновременно передавать по одному оптическому волокну до 160
независимых информационных каналов на различных оптических несущих (длинах
волн);
высокоплотные WDM (High Dense WDM - HDWDM)
системы с разносом каналов 50 ГГц и менее, позволяющие мультиплексировать не
менее 64 каналов.
Частотный план для DWDM-систем определяется
стандартом ITU G.694.1. Согласно рекомендациям ITU в DWDM системах используются
”C” (1525…1565 нм) и ”L” (1570…1610 нм) окна прозрачности. В каждый диапазон
попадают по 80 каналов с шагом 0.8 нм (100 ГГц). Обычно используется только
C-диапазон, поскольку количество каналов, которые можно организовать в этом
диапазоне итак хватает с избытком, к тому же затухание в волокне стандарта
G.652 в С-диапазоне несколько ниже, чем в L-диапазоне.
На рисунке 1.3 изображен диапазон частот,
применяемых в системе WDM.
Рисунок 1.3 - Диапазон частот системы WDM
Принципиальная схема DWDM достаточно проста.
Сигналы разных длин волн, генерируемые одним или несколькими оптическими
передатчиками, объединяются мультиплексором в многоканальный составной
оптический сигнал, который далее распространяется по оптическому волокну. При
больших расстояниях передачи на линии связи устанавливается один или несколько
оптических повторителей. Демультиплексор принимает составной сигнал, выделяет
из него исходные каналы разных длин волн и направляет их на соответствующие
фотоприемники. На промежуточных узлах некоторые каналы могут быть добавлены или
выделены из составного сигнала посредством мультиплексоров ввода/вывода или
устройств кросс-коммутации.
Типовая структурная схема DWDM приведена на
рисунке 1.4.
Рисунок 1.4 - Типовая структурная схема DWDM
Главное достоинство технологии DWDM заключается
в том, что она позволяет преодолеть ограничения на пропускную способность
канала и существенно увеличить скорость передачи данных. Причем используются
уже проложенный волоконно-оптический кабель и стандартная аппаратура временного
мультиплексирования, а увеличивать скорость передачи по отдельному каналу выше
10 Гбит/с не требуется. Благодаря WDM удается организовать двустороннюю
многоканальную передачу трафика по одному волокну (в обычных линиях
используется пара волокон - для передачи в прямом и обратном направлениях).
Существенно и то, что в сетях SONET/SDH
появилась возможность выбирать для отдельного канала значение скорости (уровень
иерархии), не зависящее от скорости других каналов, и затем использовать разные
методы передачи. Наконец, распространению DWDM способствуют последние
технологические достижения: создание узкополосных полупроводниковых лазеров,
имеющих ширину спектра излучения менее 0,1 нм, широкополосных оптических
усилителей и оптических фильтров для разделения близких каналов.
Технология WDM является универсальным решением
проблемы увеличения пропускной способности. Между тем, ее применение тормозится
рядом факторов как экономического, так и чисто технического характера.
Если говорить об экономической стороне, то
внедрение DWDM в местных сетях сдерживается высокой стоимостью соответствующей
аппаратуры, особенно передающих устройств, и сложностью коммутации трафика.
Вместе с тем исследования показывают, что решения на базе DWDM могут оказаться
экономически эффективными и в сетях меньшего масштаба. Для этого, в частности,
в них должны применяться недорогие мультиплексоры ввода/вывода, устанавливаемые
в местах сопряжения местных и опорных сетей.
Фактор высокой стоимости аппаратуры оказывается
еще более существенным для реализации технологии DWDM. При использовании
близких частот требуются узкополосные полупроводниковые лазеры с высокой
стабильностью длины волны генерируемого излучения, которые являются наиболее
дорогим элементом DWDM-систем, сдерживающим распространение последних.
Среди технических проблем следует упомянуть
значительные потери мощности сигналов в мультиплексорах/демультиплексорах,
несовпадение, во многих случаях, рабочих длин волн WDM-оборудования и устройств
временного мультиплексирования, необходимость повышения производительности
узлов коммутации, усложнение управления сетью из-за различий в технологиях
передачи данных по мультиплексируемым каналам, отсутствие промышленных
стандартов. Наконец, не последнее место в этом перечне занимают нелинейные
явления, которые при одновременной передаче на нескольких несущих способны
приводить не только к ослаблению и искажению сигнала, но и к его проникновению
в другие каналы.
2. Организация передачи данных по
ВОЛС применительно к технологии DWDM
В данном разделе подробно описана организация
передачи данных по ВОЛС применительно к технологии DWDM. Здесь определены
специфики технических требований к сети DWDM, описаны технологические решения,
применяемые в сетевом оборудовании, рассмотрены характеристики различных типов
одномодовых оптических волокон и аспекты применения помехоустойчивого
кодирования.
2.1 Специфика технических требований
к сети DWDM
Основное требование к компонентам систем DWDM
состоит в том, что они должны одинаково обрабатывать все каналы на всем
протяжении оптического пути линии связи. Для этого требуется тщательный выбор
оптических передатчиков, мультиплексоров, усилителей и волокна.
Все оптические характеристики пассивных и
активных компонентов сети - вносимые потери, потери на отражение, дисперсия,
поляризационные эффекты и т.д. должны измеряться как функция длины волны во
всем диапазоне длин волн, используемом для передачи в системе DWDM. В системах
DWDM часто используют значительно более сложные устройства, чем в системах с
одной рабочей длиной волны, и проводить тестирование характеристик таких
устройств намного сложнее. В мультиплексорах и узкополосных фильтрах систем
DWDM используются тонкопленочные фильтры, сварные биконические разветвители BFT
(Fused Biconic Tapered Coupler), решетки на основе массива волноводов AWG
(Array Waveguide Grating), волоконные брэгговские и обычные дифракционные
решетки. Необходимо исследовать влияние активных компонентов (в особенности,
оптических усилителей) и взаимной интерференции каналов на целостность
передаваемых сигналов для минимизации потенциальной возможности их
неблагоприятного воздействия.
Несмотря на то, что все материалы и компоненты
при производстве тестируются на соответствие стандартам, возможно ухудшение их
характеристик при непосредственной установке в полевых условиях. При
объединении отдельных компонентов в единую систему, небольшие различия их
характеристик могут накапливаться и непредсказуемым образом влиять на параметры
сети в целом. Для обеспечения гарантированной надежности сети, необходимо
выполнять тестирование не только каждого компонента в отдельности, но и всей
системы в целом.
Тестирование компонентов может вызвать много
сложностей. Разница длин волн соседних каналов в системах DWDM очень мала, и
параметры многих компонентов (например, мультиплексоров) должны строго
соответствовать пределам допустимых отклонений. При большом числе каналов
используемый спектральный диапазон становится достаточно широким, и поддержание
близких значений параметров для всех каналов (коэффициента усиления, дисперсии,
уровня вносимых шумов и т.д.) становится достаточно сложной задачей.
Для того чтобы компоненты систем WDM были
взаимозаменяемы и могли взаимодействовать между собой, в системах WDM
необходимо использовать стандартный набор частот генерации лазеров. Всеми вопросами,
связанными со стандартизацией систем WDM занимается международный орган
стандартизации - сектор стандартизации телекоммуникаций Международного союза
электросвязи ITU-T (International Telecommunications Union, ITU) в рамках
исследовательской группы SG15 по транспортным сетям, системам и оборудованию
(Study Group 15 on Transport Networks, Systems and Equipment). Спецификации
ITU-T G.692 по оптическим интерфейсам для многоканальных систем с оптическими
усилителями определяет стандартный набор частот - частотный план систем WDM.
Частотный план ITU - это набор стандартных
частот на основе базовой частоты 193100 ГГц. Стандартные частоты располагаются
выше и ниже этой частоты с частотным интервалом в 50-100 ГГц.
2.2 Технологии мультиплексирования
Каждый лазерный передатчик в системе WDM выдает
сигнал на одной из заданных частот. Все эти сигналы (каналы) необходимо
мультиплексировать (объединить друг с другом) в единый составной сигнал.
Устройство, которое выполняет эту функцию, называется оптическим мультиплексором
MUX (или OM). Аналогичное устройство на другом конце линии связи разделяет
составной сигнал на отдельные каналы и называется оптическим демультиплексором
DEMUX (или OD). В отличие от систем TDM, в которых подобные операции уплотнения
каналов происходят во временной области, и основное внимание уделяется точности
синхронизации приемника и передатчика, в системах WDM мультиплексированию и
демультиплексированию подвергаются спектральные компоненты отдельных сигналов,
характеристики которых всегда известны заранее.
На рисунке 2.1 схематично показаны
WDM-мультиплексор и демультиплексор.
Рисунок 2.1 - Мультиплексор и демультиплексор
Современные оптические мультиплексоры создаются
преимущественно на основе тонкопленочных фильтров и, немного реже - на матрицах
волноводных дифракционных решеток и волоконных брэгговских решетках. При
дальнейшем увеличении плотности размещения каналов в системах DWDM и
ужесточении требований к оптическим устройствам MUX/DEMUX, по-видимому, будет
меняться и спектр используемых технологий.
Тонкопленочный фильтр состоит из нескольких
слоев прозрачного диэлектрического материала с различными показателями
преломления, нанесенных последовательно друг за другом на оптическую подложку.
На каждой границе раздела между слоями из-за различия их показателей
преломления часть падающего светового пучка отражается обратно. Этот отраженный
свет усиливает или подавляет падающий (отраженная волна интерферирует с
падающей) в зависимости от длины волны. Надлежащим образом подобрав показатель
преломления и толщину каждого слоя, можно получить фильтр, который будет
пропускать любой заданный диапазон длин волн и отражать все остальные.
На рисунке 2.2 схематично показан принцип работы
тонкопленочного фильтра. I1 - падающая волна; I2 - отраженная; I3 - прошедшая.
Рисунок 2.2 - Принцип работы тонкопленочного
фильтра
Выбор диэлектрических материалов ограничен, так
как многие материалы с хорошими оптическими свойствами имеют физические
качества, далекие от требуемых. В общем случае, чем жестче требования к
фильтру, тем большее число слоев необходимо нанести на подложку. Несмотря на
имеющиеся сложности, эта технология позволяет, незначительно изменяя процесс
производства, создавать недорогие фильтры с различными специальными
спектральными свойствами.
В мультиплексорах и демультиплексорах обычно
используются одноступенчатые тонкопленочные фильтры, каждый из которых выделяет
из составного сигнала (или добавляет в него) один канал. Фильтры расположены
под наклоном к оптической оси, чтобы отраженный свет не попадал обратно в
систему. Наклонное расположение фильтров изменяет эффективную толщину слоев и
меняет таким образом полосу пропускания, что необходимо учитывать при
проектировании фильтров. Для обработки многоволновых сигналов используют
многоступенчатые системы фильтров, в которых свет, отраженный от каждого
фильтра, попадает на вход следующего фильтра, что придает исключительную
важность вопросу их выравнивания (рисунок 2.3).
Рисунок 2.3 - Многоступенчатая система
тонкопленочных фильтров для демультиплексирования составного сигнала
Тонкопленочные фильтры имеют достаточно узкую
полосу пропускания и используются в системах WDM с 16-ю или 32-мя каналами. В
современных системах с более плотным расположением каналов используют другие
технологии.
Волоконная брэгговская решетка - это, по сути,
оптический интерферометр, встроенный в волокно. Волокно, легированное
некоторыми веществами (обычно германием), может изменять свой показатель
преломления под воздействием ультрафиолетового света. Если облучить такое
волокно ультрафиолетовым излучением с определенной пространственной
периодической структурой, то волокно превращается в своего рода дифракционную
решетку. Другими словами, это волокно будет практически полностью отражать свет
определенного, наперед заданного диапазона длин волн, и пропускать свет всех
остальных длин волн, как показано на рисунке 2.4.
Рисунок 2.4 - Волоконная брэгговская решетка
выделяет из составного сигнала канал определенной длины волны
Центральная длина волны фильтра на основе
регулярной волоконной брэгговской решетки определяется ее периодом, полоса
пропускания обратно пропорциональна ее длине. Оба этих параметра зависят от
температуры, поэтому такие фильтры должны быть помещены в термостат или другое
устройство, контролирующее температуру.
Волоконная брэгговская решетка может
использоваться как оптический фильтр в устройствах мультиплексирования и демультиплексирования,
как компенсатор хроматической дисперсии, или в комбинации с циркуляторами в
мультиплексорах ввода/вывода каналов.
В мультиплексорах ввода/вывода каналов
волоконная брэгговская решетка может использоваться вместе с двумя
циркуляторами. Со стороны порта вывода канала циркулятор выделяет отраженную
волну и направляет ее в порт вывода (рисунок 2.5, слева). Со стороны порта
ввода циркулятор добавляет в передаваемый составной сигнал один канал на той же
длине волны, что была выделена (рисунок 2.5, справа). Такие устройства часто
используются на границе между магистральным каналом и сетью городского или
регионального масштаба.
Волоконные брэгговские решетки в последнее время
также стали использоваться в устройствах мультиплексирования/демультиплексирования
вместе с интерферометрами типа Маха-Цендера и в комбинации с другими типами
фильтров.
Рисунок 2.5 - Использование волоконных
брэгговских решеток в мультиплексорах ввода/вывода каналов
Наряду с мультиплексорами и демультиплексорами,
рассмотренная технология узкополосной фильтрации оптических каналов также
используется для выравнивания спектра сигнала перед усилителями EDFA, для
стабилизации длины волны и в волновых стабилизаторах.
Дифракционные решетки. Наиболее распространенные
в оптике обычные дифракционные решетки отражают световой пучок под разными
углами в плоскости падения, причем угол, в которых отраженный свет достигает
максимальной интенсивности, зависит от длины волны. В дифракционных решетках используется
тот же физический принцип, что и в тонкопленочных фильтрах - подавление или
усиление света за счет интерференции падающих и отраженных волн (рисунок 2.6).
Представим, что в падающем свете присутствует
излучение разных длин волн. Можно выбрать угол падения таким образом, что волны
определенной длины при отражении от отдельных линий решетки будут отличаться по
фазе друг от друга ровно на одну длину волны. В этом случае все отраженные
волны будут усиливать друг друга. Такой угол будет углом максимального
пропускания для заданной длины волны падающего света.
В устройствах мультиплексирования и
демультиплексирования дифракционные решетки располагаются на пути света таким
образом, чтобы сигнал нужной длины волны мог быть выделен из составного сигнала
или добавлен в него. Хотя устройства на основе дифракционных решеток дороги и
сложны в производстве, вносимые ими потери практически не зависят от числа
каналов, что делает эту технологию одной из наиболее привлекательных для
использования в системах с большим числом каналов. Однако при этом требуется
тщательно контролировать поляризацию падающего оптического излучения.
Рисунок 2.6 - Отражение составного сигнала
дифракционной решеткой
Интегральные оптические устройства мультиплексирования
и демультиплексирования - это оптический эквивалент интегральных схем в
электронике. Оптические волноводы в несколько слоев помещаются на подложку из
кремния или ниобата лития. В таком небольшом блоке содержится множество
оптических компонентов, взаимосвязанных друг с другом. При использовании
современного полностью автоматизированного оборудования возможно массовое
производство таких блоков.
Интегральная оптика - относительно новая
технология. Для того чтобы полностью использовать ее потенциал, требуются
дальнейшие научные исследования и конструкторские разработки. В настоящее время
интегральная оптика используется при производстве оптических разветвителей,
коммутаторов, модуляторов, эрбиевых и легированных различными редкоземельными элементами
волноводных усилителей, брэгговских решеток и других компонентов систем DWDM.
Интегральная оптика успешно применяется для
создания решеток на основе массива планарных волноводов (более 100) различной
длины между двумя планарными линзами смесителями AWG (Arrayed Waveguide
Gratings). Принцип работы такой решетки показан на рисунке 2.7.
Рисунок 2.7 - Решетка на основе массива
волноводов AWG - принцип работы
Входной сигнал, который содержит излучение
разных длин волн, попадает во входной разветвитель. Там он расщепляется на N
оптических лучей, каждый из которых попадает в отдельный волноводный канал. Все
N волноводных каналов, образующих волноводную матрицу, имеют разную длину и
вносят в сигнал разные фазовые сдвиги, зависящие от длины волны. После этого
световые пучки из отдельных волноводных каналов вновь объединяются в выходном
разветвителе и интерферируют таким образом, что излучение разных длин волн
попадает в разные выходные волноводы.
Решетки на основе массива волноводов AWG
используются для того, чтобы перераспределять сигналы различных длин волн (каналы)
между двумя наборами волокон (рисунок 2.7) или выделить (демультиплексировать)
отдельные каналы составного сигнала в отдельные волокна. Эта технология сейчас
становится основной для производителей мультиплексоров и демультиплексоров
систем DWDM. Благодаря легко масштабируемой структуре, она может широко
применяться в системах с сотнями каналов.
Сварные биконические разветвители. Простейший
биконический разветвитель FBT (Fused Biconic Tapered) представляет собой пару
одномодовых оптических волокон, на определенном участке сваренных друг с другом
по длине. Основная мода волокна, которая распространяется по сердцевине одного
из оптических волокон, при прохождении области сварки преобразуется в моды
оболочки. Когда волокна снова разделяются, моды оболочки снова преобразуются в
моды волокна, распространяющиеся по сердцевине каждого из выходных волокон. В
результате получается разветвитель, практически не вносящий потерь. Выходные
сигналы не обязательно имеют равную мощность, соотношение их мощностей определяется
интерференцией в области сварки волокон и зависит от длины этой области.
Если два таких разветвителя расположены
последовательно (рисунок 2.8), и два рукава имеют разные оптические пути между
местами сварки, то такая комбинация действует подобно интерферометру
Маха-Цендера. Мощность входного сигнала распределяется между выходными
волноводами в зависимости от длины волны с определенной периодичностью. Если
составной входной сигнал содержит оптические каналы двух различных длин волн,
то при определенном подборе параметров эти каналы на выходе окажутся в разных
выходных волокнах. Второе входное волокно не используется.
Если на вход поступает составной сигнал, который
содержит большое количество каналов на разных частотах (с одинаковыми
расстояниями между ними), на выходе в каждом волокне будет по половине каналов
с расстоянием между частотами в два раза больше. Используя последовательно
несколько разветвителей, можно вывести каждый канал в отдельное волокно.
Рисунок 2.8 - Сварной биконический разветвитель
FBT - принцип работы
Массивы таких устройств, отдельные секции
которых иногда заменены брэгговскими решетками, используются для выделения
каналов определенной частоты из многоканальных систем WDM и DWDM или для добавления
каналов в каком-либо узле оптической сети. Поскольку они являются полностью
пассивными устройствами и имеют низкие потери, допустимо применение достаточно
больших наборов таких устройств.
Существует также технология трехмерного
оптического мультиплексирования (3D Optics WDM). В ней используется схема с
плоской отражательной дифракционной решеткой, вогнутым зеркалом и массивом
волокон (см. рисунок 2.9), размещенных в пазах решетки с фиксированным шагом.
Схема работы (в режиме демультиплексора) проста: мультиплексированный поток из
входного волокна (А), расходясь конусом с углом β, отражается
от зеркала и падает на дифракционную решетку, отражающую под разными углами
свет разной длины волны. Эти дифрагированные лучи, отражаясь от зеркала,
фокусируются в определенных точках, где и должны быть расположены приемные
порты массива волокон, выделяющих соответствующие несущие. Для примера на
рисунке 2.9 показано выделение одного такого канала, конус лучей которого с тем
же углом β фокусируется в
точке (В) (порте выходного волокна).
Все элементы конструкции строго фиксированы в
стеклянном блоке, что позволяет выдержать и сохранять высокую точность
изготовления. Конструкция позволяет использовать до 131 канала с шагом 1 нм или
до 262 каналов с шагом 0,5 нм.
Во всех указанных решениях процедура
мультиплексирования предполагается обратной по отношению к рассмотренной
процедуре демультиплексирования.
Рисунок 2.9 - Принцип трехмерного оптического
мультиплексирования
Основными показателями
мультиплексоров/демультиплексоров, ухудшающими качество передаваемого сигнала,
являются вносимые потери на компонентах, потери на отражение и
поляризационно-зависимые потери. Как правило, это известные величины, слабо
изменяющиеся со временем; они описываются производителем оборудования.
2.3 Источники излучения
Передающие оптоэлектронные модули (ПОМ),
применяемые в волоконно-оптических системах, предназначены для преобразования
электрических сигналов в оптические. Последние должны быть введены в волокно с
минимальными потерями. Производятся весьма разнообразные ПОМ, отличающиеся по
конструкции, а также по типу источника излучения. Одни работают на телефонных
скоростях с максимальным расстоянием до нескольких метров, другие передают
сотни и даже тысячи мегабит в секунду на расстояния в несколько десятков
километров.
Главным элементом ПОМ является источник
излучения. Перечислим основные требования, которым должен удовлетворять
источник излучения, применяемый в ВОЛС:
излучение должно вестись на длине волны одного
из окон прозрачности волокна. В традиционных оптических волокнах существует три
окна, в которых достигаются меньшие потери света при распространении: 850,
1300, 1550 нм;
источник излучения должен выдерживать
необходимую частоту модуляции для обеспечения передачи информации на требуемой
скорости;
источник излучения должен быть эффективным, в
том смысле, что большая часть излучения источника попадала в волокно с
минимальными потерями;
источник излучения должен иметь достаточно
большую мощность, чтобы сигнал можно было передавать на большие расстояния, но
и не на столько, чтобы излучение приводило к нелинейным эффектам или могло
повредить волокно или оптический приемник;
температурные вариации не должны сказываться на
функционировании источника излучения;
стоимость производства источника излучения
должна быть относительно невысокой.
Два основных типа источников излучения,
удовлетворяющих перечисленным требованиям, используются в настоящее время -
светодиоды (LED) и полупроводниковые лазерные диоды (LD). Главная отличительная
черта между светодиодами и лазерными диодами - это ширина спектра излучения.
Светоизлучающие диоды имеют широкий спектр излучения, в то время как диоды
имеют значительно более узкий спектр (рисунок 2.10).
В технологии DWDM из-за узкого спектра излучения
используются лазерные диоды.
Четыре основных типа лазерных диодов получили
наибольшее распространение: с резонатором Фабри-Перо; с распределенной обратной
связью; с распределенным брэгговским отражением; с внешним резонатором.
Лазерные диоды с резонатором Фабри-Перо (FP
лазеры, Fabry-Perot). Резонатор в таком лазерном диоде образуется торцевыми
поверхностями, окружающими с обеих сторон гетерогенный переход. Одна из
поверхностей отражает свет с коэффициентом отражения, близким к 100%, другая
является полупрозрачной, обеспечивая, таким образом, выход излучения наружу.
Рисунок 2.10 - Спектры излучения светодиодов и
лазерных диодов
На рисунке 2.10 (в середине) показан спектр
излучения промышленного лазерного диода с использованием резонатора Фабри-Перо.
Как видно из рисунка, наряду с главным пиком, в котором сосредоточена основная
мощность излучения, существуют побочные максимумы. Причина их возникновения
связана с условиями образования стоячих волн. Для усиления света определенной
длины волны необходимо выполнение двух условий. Первое, длина волны должна
удовлетворять соотношению 2D = Nλ, где
D - диаметр резонатора Фабри-Перо, а N - некоторое целое число. Второе, длина
волны должна попадать в диапазон, в пределах которого свет может усиливаться
индуцированным излучением. Если этот диапазон достаточно мал, то имеет место
одномодовый режим с шириной спектра меньше 1 нм (рисунок 2.10, справа). В
противном случае в область Δλ0,5 могут
попасть два или более соседних максимумов, что соответствует многомодовому
режиму с шириной спектра от одного до нескольких нм. FP-лазер имеет далеко не
самые высокие технические характеристики, но для тех приложений, где не
требуется высокая скорость передачи данных, он, в силу более простой
конструкции, наилучшим образом подходит с точки зрения цена-эффективность.
Следует отметить, что даже в том случае, когда
соседние максимумы малы, то есть где реализуется одномодовый режим излучения и Δλ
мало,
с ростом скорости передачи у лазера наблюдается перераспределение мощности в
модах, которое приводит к паразитному эффекту - динамическому уширению спектра Δλ
(до
10 нм при частоте модуляции 1-2 ГГц). Этот эффект отсутствует у перечисленных
трех других более совершенных типов лазерных диодов, отличающихся способом
организации оптического резонатора, и являющихся в некоторой степени
модернизацией простого резонатора Фабри-Перо.
Лазерные диоды с распределенной обратной связью
(DFB-лазер) и с распределенным брэгговским отражением (DBR-лазер). Резонаторы у
этих двух довольно схожих типов представляют собой модификацию плоского
резонатора Фабри-Перо, в которой добавлена периодическая пространственная
модуляционная структура. В DFB-лазерах периодическая структура совмещена с
активной областью (рисунок 2.11 (а)), а в DBR-лазерах периодическая структура
вынесена за пределы активной области (рисунок 2.11 (б)). Периодическая
структура влияет на условия распространения и характеристики излучения. Так,
преимуществами DFB и DBR-лазеров по сравнению с FP-лазером являются: уменьшение
зависимости длины волны лазера от тока инжекции и температуры, высокая
стабильность одномодовости и практически стопроцентная глубина модуляции.
Температурный коэффициент Δλ/ΔТ
для FP-лазера порядка 0,5-1 нм/°С, в то время как для DFB лазера порядка
0,07-0,09 нм/°С. Основным недостатком DFB и DBR лазеров является сложная
технология изготовления и, как следствие, более высокая цена.
Лазерный диод с внешним резонатором (ЕС-лазер).
В ЕС-лазерах один или оба торца покрываются специальным слоем, уменьшающим
отражение, и соответственно, одно или два зеркала ставятся вокруг активной
области полупроводниковой структуры. На рисунке 2.11 (в) показан пример
ЕС-лазера с одним внешним резонатором. Антиотражательное покрытие уменьшает коэффициент
отражения примерно на четыре порядка, в то время как другой торец активного
слоя отражает до 30% светового потока благодаря френелевскому отражению.
Зеркало, как правило, совмещает функции дифракционной решетки. Для улучшения
обратной связи между зеркалом и активным элементом устанавливается линза.
Увеличивая или уменьшая расстояние до зеркала, а
также одновременно разворачивая зеркало-решетку - это эквивалентно изменению
шага решетки - можно плавно изменять длину волны излучения, причем диапазон настройки
достигает 30 нм. В силу этого, ЕС-лазеры являются незаменимыми при разработке
аппаратуры волнового уплотнения и измерительной аппаратуры для ВОЛС. По
характеристикам они схожи с DFB и DBR-лазерами.
Рисунок 2.11 - Три основных типа лазерных диодов
Также важными характеристиками источников
излучения являются: быстродействие источника излучения; деградация и время
наработки на отказ.
Быстродействие источника излучения.
Экспериментально измеряемым параметром, отражающим быстродействие источника
излучения, является максимальная частота модуляции. Предварительно
устанавливаются пороги на уровне 0,1 и 0,9 от установившегося значения мощности
светового излучения при низкочастотной модуляции прямоугольными импульсами тока.
По мере роста частоты модуляции, т.е. при переходе на меньшие масштабы по
временной шкале, форма световых фронтов становится более пологой. Для описания
фронтов вводят времена нарастания τrise и
спада τfall
мощности
излучения, определяемые как временные интервалы, за которые происходит
нарастание от 0,1 до 0,9 и, наоборот, спад светового сигнала от 0,9 до 0,1.
Максимальная частота модуляции определяется как частота входных электрических
импульсов, при которой выходной оптический сигнал перестает пересекать
пороговые значения 0,1 и 0,9, оставаясь при этом во внутренней области. Для
светодиодов эта частота может достигать до 200 МГц, а у лазерных диодов -
значительно больше (несколько ГГц). Времена нарастания и спада предоставляют
информацию о полосе пропускания W.
Деградация и время наработки на отказ. По мере
эксплуатации оптического передатчика его характеристики постепенно ухудшаются -
падает мощность излучения, и, в конце концов, он выходит из строя. Это связано
с деградацией полупроводникового слоя. Надежность полупроводникового излучателя
определяется средней наработкой на отказ или интенсивностью отказов. Лазерные
диоды, выпускаемые десять лет назад, обладали значительно меньшей надежностью
по сравнению со светодиодами. Однако в настоящее время, благодаря
совершенствованию конструкций и технологии изготовления, удалось значительно
повысить надежность диодов и приблизить их к светодиодам по времени наработки
на отказ, которое составляет до 50000 часов и более (5-8 лет).
Основной характеристикой лазерного передатчика,
оказывающей сильное влияние на параметры сигнала, является мощность излучения.
При достижении некоей пороговой мощности начинают особенно сильно проявляться
нелинейные эффекты.
2.4 Реализация усилителей EDFA
Усилители на волокне, легированном эрбием EDFA
(Erbium-Doped Fiber Amplifier) обеспечивают непосредственное усиление
оптических сигналов, без их преобразования в электрические сигналы и обратно,
обладают низким уровнем шумов, а их рабочий диапазон длин волн практически
точно соответствует окну прозрачности кварцевого оптического волокна. Именно
благодаря появлению усилителей с таким сочетанием качеств линии связи и сети на
основе систем DWDM стали экономически привлекательными.
Простую реализацию EDFA можно представить в виде
схемы, представленной на рисунке 2.12.
Рисунок 2.12 - Схема усилителя EDFA
Схема состоит из двухканального волнового
мультиплексора WDM (оптического разветвителя), к одному каналу которого
подключено через оптический фильтр-изолятор волокно - источник информационного
сигнала 1550 нм, к другому - лазерный диод накачки ЛД, генерирующий
сонаправленную волну накачки 980 или 1480 нм. С выхода мультиплексора сигнал
подается в кольцо специального оптоволокна, легированного эрбием. Длина волокна
в кольце 15-20 м. Усиленный в кольце сигнал 1550 нм является выходным сигналом
усилителя, который снова подается в волокно через оптический фильтр-изолятор.
Дополнительные оптические фильтры-изоляторы на обоих концах легированного
оптоволокна ставятся для предотвращения распространения света в обратном
направлении, которое может привести к осцилляции излучения лазера.
Практические оптические усилители имеют
некоторые особенности, которые не видны из этой схемы:
легированное оптоволокно имеет меньший диаметр
сердечника (порядка 2 мкм), чем стандартное одномодовое волокно, для увеличения
плотности пучка благодаря сужению на переходе из стандартного в легированное
оптоволокно, что позволяет увеличить эффективность процессов возбуждения и
усиления;
допускается большое затухание сигнала в
легированном оптоволокне (порядка 10 дБ/км), вызванное значительной
концентрацией примеси;
используется как сонаправленное, так и
противонаправленное включение пучка накачки, последнее позволяет примерно на 2
дБ увеличить усиление (при этом примерно на 1 дБ увеличивается шум);
для получения более устойчивой работы лазера
накачки (отсутствия осцилляции) используются специальные фильтры-стабилизаторы
на основе, например, оптоволоконной решетки Брэгга;
для получения более широкой полосы усиления и
уменьшения неравномерности коэффициента усиления (создания "плоской"
волновой характеристики) в них используются специальные выравнивающие
устройства, например оптоволоконные решетки Брэгга;
для увеличения усиления наряду с однокаскадными
ОУ с одним лазером накачки разрабатываются и выпускаются ОУ с двумя лазерами
накачки (которые теоретически можно рассматривать как двухкаскадные при наличии
двойного комплекта основных блоков), а также двухкаскадные усилители с
дополнительным выходом/входом между каскадами.
Только два типа усилителей нашли в настоящее
время широкое применение в оптических сетях связи. Это полупроводниковые
оптические усилители и EDFA.
Указанные оптические усилители по
функциональному назначению можно разбить на три группы:
мощные усилители - МУ (бустеры), устанавливаемые
непосредственно за передатчиком; их особенность в том, что они работают с
большим сигналом на входе, обеспечивают максимально допустимое усиление и
высокий уровень сигнала на выходе (-10 дБм и выше) и не критичны к уровню
шумов;
линейные усилители - ЛУ, устанавливаемые на
линии в качестве повторителей; их особенность в том, что они работают с
сигналом среднего уровня на входе, обеспечивают необходимый уровень сигнала на
выходе и критичны к уровню шумов, который ограничивает общую длину
регенерационного участка системы;
предусилители - ПУ, устанавливаемые
непосредственно перед приемником; их особенность в том, что они работают с
сигналами очень низкого уровня (от -45 до -30 дБм) и потому очень критичны к
уровню шума усилителя.
Указанные типы оптических усилителей, их
обозначения и положение в схеме оптической системы связи показаны на рисунке
2.13.
В свою очередь, ЛУ делятся на ЛУ первого
поколения (ЛУ-I) и ЛУ второго поколения (ЛУ-II). ЛУ-I может быть однокаскадным
или двухкаскадным, но он не имеет дополнительного входа между каскадами. ЛУ-II
- двухкаскадный и имеет такой вход, что дает возможность для его более гибкого
функционального использования: позволяет осуществлять внутреннюю коммутацию и
различные функциональные преобразования (например, компенсацию усиленного
спонтанного излучения (ASE), установку модуля компенсации дисперсии, ввод/вывод
одного из усиливаемых каналов в системах WDM и др.). Это дает возможность
уменьшить количество или номенклатуру используемого оборудования, а значит, и
упростить возможное решение.
Рисунок 2.13 - Применение разных типов
оптических усилителей
2.5 Выбор одномодового оптического
волокна для построения ВОЛС
В начале 80-х годов передатчики на длину волны
1550 нм имели очень высокую цену и низкую надежность и не могли конкурировать
на рынке с передатчиками на длину волны 1300 нм. Поэтому стандартное
ступенчатое волокно SF стало первым коммерческим волокном и сейчас наиболее
широко распространено в телекоммуникационных сетях. Оно оптимизировано по
дисперсии для работы в окне 1310 нм, хотя и дает меньшее затухание в окне 1550
нм.
По мере совершенствования систем передачи на
длине волны 1550 нм встает задача разработки волокна с длиной волны нулевой
дисперсии, попадающей внутрь этого окна. В итоге в середине 80-х годов
создается волокно со смещенной дисперсией DSF, полностью оптимизированное для
работы в окне 1550 нм как по затуханию, так и по дисперсии. На протяжении
многих лет волокно DSF считается самым перспективным волокном. С приходом более
новых технологий передачи мультиплексного оптического сигнала большую роль
начинают играть эрбиевые оптические усилители типа EFDA, способные усиливать
многоканальный сигнал. К сожалению, более поздние исследования (в начале 90-х
годов) показывают, что именно длина волны нулевой дисперсии (1550 нм),
попадающая внутрь рабочего диапазона эрбиевого усилителя, является главным
потенциальным источником нелинейных эффектов (прежде всего, четырехволнового
смешения), которые проявляются в резком возрастании шума при распространении
многоканального сигнала.
Дальнейшие исследования подтверждают
ограниченные возможности DSF при использовании в системах WDM. Чтобы избежать
нелинейных эффектов при использовании DSF в WDM-системах, следует вводить
сигнал меньшей мощности в волокно, увеличивать расстояние между каналами и
избегать передачи парных каналов (симметричных относительно 0).
Четырехволновое смешение - это эффект,
приводящий к рассеянию двух волн с образованием новых нежелательных длин волн.
Новые волны могут приводить к деградации распространяемого оптического сигнала,
интерферируя с ним, или перекачивать мощность из полезного волнового канала.
Именно из-за эффекта четырехволнового смешения стало ясно, что необходимо
разработать новый тип волокна, в котором 0 располагалось бы вдали, то
есть, по одну сторону (левее или правее) от всех возможных каналов.
Волокно NZDSF создается в начале 90-х годов с
целью преодолеть недостатки волокна DSF, проявляющиеся при работе с
мультиплексным оптическим сигналом. Известное также как λ-смещенное
волокно, оно имеет особенность в том, что длина волны нулевой дисперсии
вынесена за пределы полосы пропускания эрбия. Это уменьшает нелинейные эффекты
и увеличивает характеристики волокна при передаче DWDM сигнала.
Две марки λ-смещенного
волокна, появившиеся несколько лет назад, широко используются сегодня: волокно
True Wave фирмы Lucent Tec., и волокно SMF-LS фирмы Corning. Оба имеют
ненулевую дисперсию во всем диапазоне полосы пропускания эрбия. Волокно True
Wave обеспечивает положительную дисперсию при точке нулевой дисперсии в районе
1523 нм, в то время как SMF-LS обеспечивает отрицательную дисперсию с точкой
нулевой дисперсией чуть выше 1560 нм. В начале 1998 года фирма Corning
выпустила еще одну марку λ-смещенного
волокна - LEAFтм (рисунок 2.14).
Рисунок 2.14 - Хроматическая дисперсия
одномодовых волокон в окне 1550 нм
Сравнительный анализ основных характеристик
волокон True Wave, SMF-LS и LEAFтм приведен в таблице 2.1.
По дисперсионнным характеристикам волокно LEAF
близко к волокну True Wave. Главной отличительной чертой этого волокна по
сравнению с тремя предыдущими является большая эффективная площадь для
светового потока - диаметр модового поля возрос на 1 мкм. Величина этого
параметра становится весьма важной для оптимизации систем диапазона 1550 нм.
Больший диаметр медового пятна позволяет увеличить уровень мощности излучения
вводимого волокна на 2 дБ, сохраняя при этом влияние ряда нелинейных эффектов
на прежнем уровне.
Таблица 2.1 - Основные характеристики
одномодовых волокон
|
Характеристики
|
SMF-28
|
True
-Wave
|
SMF-LS
|
LEAFтм
|
|
Maкс.
затухание на длине волны 1550нм (дБ/км)
|
≤
0.20
|
≤
0,20
|
≤
0.25
|
≤
0.20
|
|
Затухание
на сухом стыке (дБ) при 1550 нм
|
≤
0.1
|
≤
0.1
|
≤
0.1
|
н/д*
|
|
Хроматическая
дисперсия в зоне ненулевой дисперсии
|
|
Min
(пс/нм*км)
|
н/д
|
0.8
|
н/д
|
1
|
|
Max
(пс/нм*км)
|
20
|
4.6
|
-3.5
|
6
|
|
Наклон
ненулевой дисперсии S0 (пс/(нм 2*нм)
|
н/д
|
≤
0.095
|
≤
0.092
|
н/д
|
|
Длина
волны ненулевой дисперсии λ0 (нм)
|
н/д
|
≤
1540
|
≥
1560
|
н/д
|
|
Диаметр
поля моды (нм) при 1500 нм
|
10.5
± 1.06
|
8.4
± 0.6
|
8.4
± 0.5
|
9.5
± 0.5
|
|
Кабельная
длина волны отсечки λccf (нм)
|
н/д
|
≤
1260
|
≤
1260
|
н/д
|
|
Поляризационая
модовая дисперсия (пс/√км)
|
≤
0.5 при 1550 нм
|
≤
0.5 при 1550 нм
|
≤
0.5 при 1550 нм
|
≤
0.08
|
*н/д - нет данных
Современные тенденции развития средств
телекоммуникационной связи свидетельствуют о перспективности систем передачи по
волокну, в которых совмещаются временное мультиплексирование - TDM (STM-16 на
2,4 Гбит/с и STM-64 на 10 Гбит/с) в пределах одной длины волны и волновое
мультиплексирование WDM.
Инсталляция новых кабельных сегментов, или
наращивание существующих с учетом перехода на скорости передачи 2,4 и 10 Гбит/с
может осуществляться с использованием перечисленных видов волокон. При выборе
волокна следует учитывать такие факторы, как общая стоимость проекта, требуемые
емкости каналов, надежность, сложность системы и др.
В контексте эволюции ВОЛС ключевыми параметрами
становятся методики, используемые для коррекции дисперсии в
волоконно-оптических системах. Коррекция дисперсии позволяет увеличивать длину
волоконно-оптических WDM-систем, ранее ограниченных из-за большой дисперсии, и
одновременно избежать влияния такого эффекта, как четырехволновое смешение. Три
методики коррекции дисперсии:
использование волокон с компенсирующей
дисперсией DCF (dispersion-compensating fibers). Положительная дисперсия,
накопленная на одном участке с использованием стандартного волокна SF, может
компенсироваться последующим примыкающим сегментом на основе волокна DCF с заранее
подобранным значением отрицательной дисперсии, в результате чего итоговая
хроматическая дисперсия может быть приближена к нулю. Компенсация хроматической
дисперсии допустима в силу систематического характера накопления дисперсии с
ростом длины;
использование оптических лазерных передатчиков с
очень узкой спектральной шириной (0,1 нм и менее), способных модулировать
излучение на частотах в несколько ГГц;
использование волокон типа NZDSF, в которых
"сдвигается" длина волны нулевой дисперсии за пределы окна 1550 нм, в
результате чего дисперсия становится достаточно большой, чтобы подавить эффект
четырехволнового смешения, и в то же время достаточно малой, чтобы поддерживать
распространение сигнала высокой емкости (высокой частоты модуляции) на большие
расстояния.
Сегменты на основе волокна SF без использования
коррекции дисперсии допускают протяженность до 90 км (при скорости передачи 2,4
Гбит/с). Первые две методики коррекции дисперсии, применяясь отдельно друг от
друга или в комбинации, позволяют увеличить протяженность сегментов до 140 км
при сохранении прежней скорости передачи (см. таблицы 2.2 и 2.3).
Чтобы удовлетворить рабочим требованиям при
планировании сети, следует тщательно вырабатывать стратегию наращивания сети.
Нужно оценивать соответствующие топологии сетей с учетом возможности их работы
на скоростях 2,4 и 10 Гбит/с. Ближайшая цель - построить протяженные участки
(до 120-140 км) при передаче на скорости 2,4 Гбит/с с использованием любых из
трех главных типов волокон - должна рассматриваться совместно с планами более
далекой перспективы - инсталляция линий на скорость передачи 10 Гбит/с с
использованием последовательно установленных линейных усилителей. Высокая
скорость передачи в последнем случае может быть достигнута путем оптимизации
длины сегментов между линейными усилителями (приблизительно 70 км).
Общие возможности по развертыванию кабельных
систем на основе SF, DSF и NZDSF приведены в таблицах 2.2 и 2.3.
Таблица 2.2 - Передача 2.5 Гб/с сигнала по
различным типам одномодовых волокон
|
Усиление
мощности сигнала на одной длине волны
|
|
Волокно
|
Коррекция
дисперсии
|
Усилители
EDFA
|
Число
каналов
|
Емкость
каналов
|
Длина
пролета
|
Ограничения
системы
|
|
SF
|
Нет
|
УМ
|
1
|
2.4
Гбит/с
|
70-90
км
|
Мощность
Дисперсия
|
|
SF
|
Внешняя
модуляция
|
УМ
|
1
|
2.4
Гбит/с
|
140
км
|
Мощность
|
|
SF
|
Компенсация
дисперсии
|
УМ
|
1
|
2.4
Гбит/с
|
120-140
км
|
Мощность
|
|
DSF
|
Нет
|
УМ
|
1
|
2.4
Гбит/с
|
120-140
км
|
Мощность
|
|
NZ
DSF
|
λ0
выводится
из зоны EDFA
|
УМ
|
1
|
2.4
Гбит/с
|
120-140
км
|
Мощность
|
|
Линейное
усиление многоканального сигнала
|
|
SF
|
Внешняя
модуляция
|
УМ,
ЛУ
|
1,2,4,8
|
2.4-20
Гбит/с
|
>500
км
|
ASE,
отсутствует плато
|
|
SF
|
Компенсация
дисперсии
|
УМ,
ЛУ
|
1,2,4,8
|
2.4-20
Гбит/с
|
>500
км
|
ASE,
отсутствует плато
|
|
DSF
|
Нет
|
УМ,
ЛУ
|
1,2,4,8
|
2.4
Гбит/с
|
>500
км
|
ASE,
отсут. плато, ЧВС
|
|
NZ
DSF
|
λ0
выводится
из зоны EDFA
|
УМ,
ЛУ
|
1,2,4,8
|
2.4-20
Гбит/с
|
>
500км
|
ASE,
отсутствует плато
|
Таблица 2.3 - Передача 10 Гбит/с сигнала по
различным типам одномодовых волокон
|
Усиление
мощности сигнала на одной длине волны
|
|
Волокно
|
Коррекция
дисперсии
|
Усилители
EDFA
|
Число
каналов
|
Емкость
каналов
|
Длина
пролета
|
Ограничения
системы
|
|
SF
|
Внешняя
модуляция
|
ПУ
|
1
|
10Гбит/с
|
50-70
км
|
Дисперсия
|
|
SF
|
Внешняя
мод-я + КД *
|
УМ,
ПУ
|
1
|
10Гбит/с
|
120-140
км
|
Мощность
|
|
DSF
|
Внешняя
модуляция
|
УМ,
ПУ
|
1
|
10Гбит/с
|
120-150км
|
Мощность
|
|
NZ
DSF
|
ВМ,
λ0
выв-ся
из зоны EDFA
|
УМ,
ПУ
|
1
|
10Гбит/с
|
120-150км
|
Мощность
|
|
Линейное
усиление многоканального сигнала
|
|
SF
|
Внешняя
мод-я + КД *
|
УМ,ЛУ,ПУ
|
1,2,4
|
10,20,40
Гбит/с
|
>300км
|
ASE,
отсутс- твует плато
|
|
DSF
|
Внешняя
модуляция
|
ЛУ,
ПУ
|
1
нелин эффект
|
10
Гбит/с
|
>300км
|
ASE,
отсут. плато, ЧВС
|
|
NZ
DSF
|
ВМ,λ0
выв-ся
из зоны EDFA
|
ЛУ,
ПУ
|
1,2,4,8
|
10,20,40
Гбит/с
|
>300км
|
ASE,
отсут. плато, SPM
|
* - компенсация дисперсии может требовать
дополнительного усиления, чтобы преодолеть затухание.
Хотя волокна SF и DSF вполне приемлемы для
осуществления наращивания сегментов сетей, волокно NZDSF более перспективно при
использовании в новых инсталляциях. При сравнении волокон SF и DSF отметим, что
SF лучше подходят для сетей, использующих волновое мультиплексирование.
Недостаток SF - большое значение дисперсии в окне 1550 нм - может компенсироваться
либо дополнительным участком на основе волокна с компенсирующей дисперсией,
либо путем уменьшения спектральной ширины излучаемого сигнала (например,
используя передатчики на основе DFB-лазеров).
.6 Компенсаторы дисперсии
Компенсатор дисперсии зачастую представляет
собой просто отрезок оптического волокна, материал которого обладает аномальной
хроматической дисперсией на рабочей длине волны. Его дисперсия отрицательная, в
то время как среда основного волокна имеет положительную дисперсию. Величина
удельной дисперсии компенсатора, приходящаяся на единицу длины, гораздо больше
удельной дисперсии основного (компенсируемого) волокна. Это позволяет
обходиться относительно короткими отрезками волокна для компенсации дисперсии в
обычном волокне на значительных расстояниях (рисунок 2.15).
Рисунок 2.15 - Диаграмма компенсации дисперсии
оптического волокна
Компенсация дисперсии может также осуществляться
с помощью дискретных компонентов, таких как брэгговские дифракционные решетки.
Чтобы методика компенсации дисперсии была
эффективной, необходимо уметь измерять как полную дисперсию в основном волокне,
так и коэффициент дисперсии корректирующего волокна. Также необходимо иметь
возможность проверки того, что компенсирующее волокно расчетной длины
действительно устранило дисперсию.
2.7 Помехоустойчивое кодирование
(FEC). Коды Рида - Соломона
Упреждающая коррекция ошибок FEC (Forward Error
Correction) нашла широкое применение в технике оптической связи последнего
поколения. Её использование предусмотрено стандартами передачи SDH, OTH,
Ethernet. Для обнаружения и исправления ошибок чаще всего используются
циклические блочные коды (коды Хэмминга, коды Боуза-Чоудхури-Хоквенгема (БЧХ),
коды Рида-Соломона (RS).
В технике оптических систем нашли широкое
применение коды Рида-Соломона (Reed-Solomon - RS). При использовании этих кодов
данные обрабатываются порциями по m бит, которые именуют символами. Код RS(n,
k) характеризуется следующими параметрами:
длина символа m бит;
длина блока n = (2m - 1) символов = m(2m - 1)
бит;
длина блока данных k символов;- k = 2t символов
= m(2t) бит;
минимальное расстояние Хэмминга dmin = (2t + 1);
число ошибок, требующих исправления t.
Для исправления всех одно- и трехбитовых ошибок
в символах требуется выполнение неравенства 2.1:
.(2.1)
Алгоритм кодирования RS(n, k) расширяет блок из
k символов до размера n, добавляя (n - k) избыточных контрольных символов. Как
правило, длина символа является степенью двойки и широко используется значение
m = 8, т.е. символ равен одному байту.
Для исправления ошибок применяется 16-символьный
код RS(255, 239), который относится к классу линейных циклических блочных
кодов. Каждый цикл передачи, например, STM-N или OTUk разбивается на блоки
символов данных по 239 байт. Каждому такому блоку вычисляется контрольный блок
из 16 символов - байт и присоединяется к 239 байтам, 240-255 байты. Т.о. n =
255, k = 239, т.е. RS(255, 239). Объединенный блок k и (n - k) образуют
подстроку цикла. Синхронное побайтовое мультиплексирование подстрок образует
одну строку цикла (рисунок 2.16).
Рисунок 2.16 - Образование строки с блоком
контроля FEC
Порядок передачи строки слева направо. При
формировании блока (n - k) блок данных k сдвигается на (n - k) и делится на
производящий полином 2.2:
.(2.2)
В результате получается частное от деления и
остаток деления длиной (n - k). Блок данных k и остаток деления объединяются,
образуя подстроку. После передачи подстроки на приемной стороне производится ее
деление на производящий полином Р, аналогичный тому что был на передаче. если
после деления остаток ноль, то передача прошла без ошибок. Если после деления
остаток не равен нулю, то это признак ошибки. Место положения ошибки в блоке k
обнаруживается по остатку, например табличным методом.
Исправлению подлежит заданное количество ошибок
в символе (1, 2 или более в байте). Благодаря тому, что RS(255, 239) имеет
расстояние Хэмминга dmin = 17 можно корректировать до 8 символьных ошибок.
При этом число обнаруживаемых ошибок составляет
16 в подстроке с FEC. В таблице 2.4 приведен пример теоретически рассчитанного
коэффициента ошибок на выходе декодера FEC RS(255, 239).
Таблица 2.4 - Пример результата расчета
коэффициента ошибок на выходе декодера FEC RS(255, 239)
|
Коэффициент
ошибок на входе
|
Коэффициент
ошибок на выходе
|
|
10-4
|
5x10-15
|
|
10-5
|
6,3x10-24
|
|
10-6
|
6,4x10-33
|
Практическая эффективность кодирования RS(255,
239) может составить от 5 до 8 дБ, т.е. FEC позволяет увеличивать длины
участков передачи по сравнению с системами без FEC. Это особенно актуально на
протяженных линиях оптической передачи и при реконструкции, когда производится
переход на высокие скоростные режимы, например, с 2.5 Гбит/с на 10 Гбит/с. При
этом очень важно сохранить длины участков передачи существующей сети и не строить
дополнительных промежуточных станций.
Пример оценки эффективности применения
упреждающей коррекции при цифровой передаче приведен на рисунке 2.17.
В таблице 2.5 приведены характеристики
используемых кодов упреждающей коррекции ошибок FEC для ВОСП.
Рисунок 2.17 - Эффективность использования FEC
Таблица 2.5 - Параметры используемых кодов FEC
|
Поколение
FEC
|
Избыточность,
%
|
Тип
кода
|
Порог
исправления ошибок FEC
|
|
|
|
По
Qmin
|
По
BER
|
|
1
|
7
|
Одиночный
RS
|
11,5
дБ
|
10-4
|
|
2
|
10-25
|
Кратный
RS
|
8,5
дБ
|
4x10-3
|
|
3
|
20-25
|
Турбокод
|
6,2
дБ
|
2x10-3
|
Итак, применение технологии упреждающей
коррекции ошибок позволяет существенно снизить коэффициент ошибок BER и таким
образом увеличить бюджет мощности оптической линии. Производители оборудования
указывают возможность применения FEC в спецификациях передатчиков (OTU).
3. Исследование параметров и
аномалий линии Иркутск - Чита
Данный раздел посвящен непосредственно
исследованию параметров и аномалий участка сети Иркутск - Чита. Здесь описывается
влияние климата и различных оптических эффектов на параметры линии связи,
приведен обзор контрольно-измерительного оборудования, используемого для
наблюдения за этими параметрами. Также в этом разделе проведены расчеты
основных оптических показателей - затухания и дисперсии. По результатам
расчетов были построены диаграммы распределения мощности передаваемого сигнала.
После анализа полученных данных были сделаны выводы о степени влияния различных
факторов на параметры ВОЛС.
3.1 Влияние климатических условий на
параметры ВОЛС
Все ранее рассмотренные компоненты сети DWDM в
конце концов используются в полевых условиях, где они подвергаются воздействию
самых различных факторов окружающей среды, таких как: температура, влажность,
электрические и магнитные поля и многое другое. Процедуры для выявления
зависимости поведения электронных компонентов и модулей от внешних условий
хорошо известны. Для характеристики каждого компонента необходимо выполнить все
надлежащие измерения в условиях его эксплуатации.
Волоконно-оптические компоненты, как и остальные
оптические средства коммуникации, благодаря своей конструкции надежно защищены
от многих возмущающих факторов окружающей среды, в частности электрических и
магнитных полей. Герметичный монтаж защищает их проникновения влаги.
Температура является главным возмущающим
фактором окружающей среды. Многие важные оптические характеристики
волоконно-оптических компонентов зависят от физических размеров: шаг
дифракционной решетки или брэгговского эталона, длины отдельных волокон в
решетке на основе массива волноводов, толщина слоев тонкопленочных фильтров -
все эти размеры меняются пропорционально изменению температуры с коэффициентом
линейного расширения используемого материала. Хотя в некоторых случаях в
компонентах может быть предусмотрена компенсация температурных изменений
(например, нечувствительный к температуре биконический разветвитель), в общем
случае должна быть измерена зависимость производительности устройства от
температуры. Обычно предпринимают активные меры для компенсации температурного
воздействия, либо изготовляют термостабильные защитные корпуса.
Многие характеристики усилителей EDFA, в том
числе и изменяющиеся со временем, чувствительны к температуре. Необходимо
исследовать температурную зависимость спектра усиления в ожидаемом
температурном диапазоне, как наиболее важной характеристики. Для остальных же
характеристик, или для одной наиболее представительной, исследуют температурную
зависимость на используемых длинах волн.
Чтобы одновременно измерять параметры всех
каналов, используют набор фиксированных источников, длины волн которых
соответствуют длинам волн каждого волнового канала, либо широкополосный
источник ASE, покрывающий всю полосу передачи системы. Для проведения
последовательных измерений можно использовать перестраиваемый лазер. Для
спектральных измерений также подбирают подходящий приемник: анализатор OSA,
многоволновой или обычный волновой измеритель.
3.2 Влияние дисперсии и нелинейных
эффектов на параметры ВОЛС
Можно выделить три основных явления в оптическом
волокне, ограничивающие характеристики систем WDM - это хроматическая
дисперсия, поляризационная модовая дисперсия и нелинейные оптические эффекты.
Хроматическая дисперсия. Важной оптической
характеристикой стекла, используемого при изготовлении волокна, является
дисперсия показателя преломления, проявляющаяся в зависимости скорости
распространения сигнала от длины волны - материальная дисперсия. Кроме этого,
при производстве одномодового волокна, когда кварцевая нить вытягивается из стеклянной
заготовки, в той или иной степени возникают отклонения в геометрии волокна и в
радиальном профиле показателя преломления. Сама геометрия волокна вместе с
отклонениями от идеального профиля также вносит существенный вклад в
зависимость скорости распространения сигнала от длины волны, это - волноводная
дисперсия. Совместное влияние материальной и волноводной дисперсий называют
хроматической дисперсией волокна.
Явление хроматической дисперсии ослабевает по
мере уменьшения спектральной ширины излучения лазера. Даже если бы можно было
использовать идеальный источник монохроматического излучения с нулевую шириной
линии генерации, то после модуляции информационным сигналом произошло бы
спектральное уширение сигнала, и тем больше уширение, чем больше скорость
модуляции. Есть и другие факторы, приводящие к спектральному уширению
излучения, из которых можно выделить чирпирование источника излучения.
Таким образом, исходный канал представлен не
единственной длиной волны, а группой длин волн в узком спектральном диапазоне -
волновым пакетом. Так как различные длины волн распространяются с разными
скоростями (или точнее, с разными групповыми скоростями), то оптический
импульс, имеющий на входе линии связи строго прямоугольную форму, по мере
прохождения по волокну будет становиться все шире и шире. При большом времени
распространения в волокне этот импульс может смешаться с соседними импульсами,
затрудняя точное их восстановление. С увеличением скорости передачи и длины
линии связи влияние хроматической дисперсии возрастает.
При некоторой длине волны λ0
хроматическая
дисперсия обращается в ноль - эту длину волны называют длиной волны нулевой
дисперсии. Одномодовое кварцевое волокно со ступенчатым профилем показателя
преломления обладает нулевой дисперсией на длине волны 1310 нм. Такое волокно
часто называют волокном с несмещенной дисперсией.
Волноводная дисперсия в первую очередь
определяется профилем показателя преломления сердцевины волокна и внутренней
оболочки. В волокне со сложным профилем показателя преломления, изменяя
соотношение между дисперсией среды и дисперсией волновода, можно не только
сместить длину волны нулевой дисперсию, но и подобрать нужную форму
дисперсионной характеристики, т.е. форму зависимости дисперсии от длины волны.
Форма дисперсионной характеристики является
ключевой для систем WDM, в особенности, по волокну со смещенной дисперсией
(Рек. ITU-T G.653). Кроме параметра λ0 используют
параметр S0 , описывающий наклон дисперсионной характеристики на длине волны λ0
(рисунок
3.1). В общем случае, наклон на других длинах волн отличается от наклона при
длине волны λ0. Текущее значение
наклона S0 определяет линейную составляющую дисперсии в окрестности λ0.
Рисунок 3.1 - Основные параметры зависимости
хроматической дисперсии от длины волны
Хроматическую дисперсию τchr
(обычно измеряется в пс) можно рассчитать по формуле 3.1:
,(3.1)
где:
D(λ) - коэффициент
хроматической дисперсии (пс/(нм*км));- протяженность линии связи (км).
Заметим, что данная формула не точна в случае
ультра-узкополосных источников излучения. На рисунке 3.2 раздельно показаны
зависимости волноводной дисперсии для волокна с несмещенной (1) и смещенной (2)
дисперсией и материальной дисперсии от длины волны.
Хроматическая дисперсия системы передачи
чувствительна к:
увеличению длины и числа участков линии связи;
увеличению скорости передачи (т.к. увеличивается
эффективная ширина линии генерации источника).
На нее в меньшей степени влияют:
уменьшение частотного интервала между каналами;
увеличение числа каналов.
Хроматическая дисперсия уменьшается при:
уменьшении абсолютного значения хроматической
дисперсии волокна;
компенсации дисперсии.
Рисунок 3.2 - Зависимость дисперсии от длины
волны
В системах WDM с обычным стандартным волокном
(Рек. ITU-T G.652) хроматической дисперсии следует уделять особое внимание, так
как она велика в области длины волны 1550 нм.
Описать характеристики идеального оптического
волокна относительно просто. Они включают характеристики распространения
мощности по волокну, моды с заданным состоянием поляризации на заданной длине
волны и некоторые другие характеристики. Однако когда волокно уложено в кабель,
а кабель затем прокладывают в разнообразных местах и эксплуатируют при
различных условиях, то волокно в кабеле становится далеко не идеальным.
Возникающие в процессе производства волокна напряжения приводят к остаточным
напряжениям в его сердцевине и оболочке, вызывая в дальнейшем трудно
предсказуемые явления двойного лучепреломления. Кроме этого, механические
воздействия на волокно в скрученном кабеле создают несимметричные напряжения,
увеличивающиеся при его намотке. И, наконец, во время монтажа кабель непрерывно
подвергается напряжениям. Это и установка арматуры, и прокладка в канализации,
подсоединение соединительных муфт и т.д. Все эти механические воздействия ведут
к локальным, псевдослучайно распределенным деформациям волокна, которые
нарушают геометрию волокна или соосность сердцевины и оболочки.
Поляризационная модовая дисперсия (PMD) - это
основной механизм, с помощью которого все дефекты волокна проявляются на
характеристиках системы передачи.
В любой точке волокна импульс поляризованного
оптического излучения можно разложить на поляризационные составляющие с двумя
взаимно ортогональными состояниями поляризации, направленными вдоль двух
локально ортогональных осей волокна, так называемых, быстрой и медленной осей.
На практике, в уложенном в кабель волокне направление этих осей и относительная
разность скоростей распространения по каждой оси (непосредственно зависящих от
величины локального двулучепреломления) изменяются вдоль оптического пути. На
каждом участке волокна возникнет временная задержка между компонентами
оптического сигнала, разложенного по быстрой и медленной осям. Из-за того, что
направление осей двулучепреломления соседних участков волокна меняется
случайным образом, форма и границы оптического импульса претерпевают
статистическое временное расплывание.
Действительно, существуют два взаимно
ортогональных состояния поляризации, называемые основными состояниями
поляризации PSP (Principal State of Polarization). Одно из них соответствует
самому быстрому, а другое - самому медленному времени распространения импульса
по волокну. Разница времен распространения называется дифференциальной
групповой задержкой DGD (Differential Group Delay), соответствующей данной
длине волны. Величина задержки PMD определяется как значение DGD, усредненное
по длинам волн.
Так как отдельные факторы, вызывающие
поляризационнаю модовую дисперсию PMD, невозможно выделить и измерить, то
явление PMD следует рассматривать как непрерывный и нестационарный
стохастический процесс. Этот процесс приводит к уширению информационных
оптических импульсов, что может ухудшить качество сигнала при его декодировании
приемником (рисунок 3.3). Таким образом, поляризационная модовая дисперсия
является существенным фактором, ограничивающим скорость передачи по волокну.
Рисунок 3.3 - Уширение импульса под влиянием ПМД
PMD измеряется в пикосекундах для каждого
конкретного участка проложенного волокна в линии связи.
Для вычисления PMD линии связи, состоящей из нескольких
участков, выполняют процедуру статистического суммирования. Общая
поляризационная модовая дисперсия линии связи определяется как квадратный
корень из суммы квадратов PMD отдельных участков, образующих линию связи
(формула 3.2). Если, например, 9 из 10 участков линии имеют PMD по 0,2 пс
каждая, а PMD десятого участка составляет 2 пс, то общая величина PMD линии
будет равна 2,088 пс.
.(3.2)
Иными словами, один плохой участок
волокна портит общую картину для всей линии связи. Поэтому необходимо проводить
тестирование всех участков линии в сети связи. Нет никаких оснований полагать,
что если несколько измеренных участков имеют малые задержки PMD, то и вся линия
будет иметь приемлемое значение PMD.
Влияние PMD на качество сигнала в
линии связи возрастает при:
увеличении скорости передачи (один
из важнейших факторов);
увеличении количества участков линии
(равносильно увеличению длины оптического канала);
увеличении количества каналов (при
большем числе каналов возрастает вероятность большого отклонения
дифференциальной групповой задержки от среднего значения хотя бы в одном
канале).
Уменьшение частотного разнесения
каналов влияет на PMD незначительно (если такое уменьшение не ведет к
увеличению числа каналов в фиксированной полосе пропускания, как, например, в
полосе усиления EDFA, равной 40 нм). Однако PMD можно уменьшить, тщательно
контролируя геометрию волокна.
Явление PMD является серьезным
препятствием при установке систем WDM на сетях с обычным волокном, соответствующим
рек. ITU-T G.652 (в конце 1980-х годов было проложено свыше 80 миллионов
километров такого волокна). При использовании новых типов волокна,
соответствующих рек. ITU-T G.653, G.654 и G.655, проблема PMD не стоит столь
остро.
Критерии для оценки удельного
коэффициента PMD, обеспечивающие с вероятностью 99,994% дифференциальную
задержку менее 0,1 длительности бита при запасе мощности, не превышающем 1 дБ,
разработаны и предложены ITU и приведены в таблице 3.1.
Вклад в PMD вносит не только
волокно, но и отдельные компоненты системы связи. Однако в последнем случае,
вклад в PMD является постоянной, не случайной величиной. Уменьшение влияния PMD
отдельных компонентов достигается путем контроля качества в процессе их
производства.
Таблица 3.1 - Максимальное значение PMD для
заданной скорости передачи
|
Битовая
скорость, Гбит/с
|
Максимальная
задержка PMD, пс
|
Коэффициент
PMD для волокна длиной 400 км, пс/км1/2
|
|
2,5
|
40
|
2,0
|
|
10
|
10
|
0,5
|
|
20
|
5
|
0,25
|
|
40
|
2,5
|
0,125
|
До недавнего времени PMD второго порядка,
учитывающая зависимость поляризационной модовой дисперсии от длины волны,
оказывала пренебрежимо малое воздействие на характеристики сети. Но после того,
как скорость передачи превысила 10 Гбит/с, это явление встало в ряд факторов,
ухудшающих характеристики систем передачи. В одномодовых волокнах большой длины
явление PMD второго порядка всегда сопровождается с явлением PMD первого
порядка. Тем не менее, PMD второго порядка приводит к снижению эффективности
системы только при наличии хроматической дисперсии линии связи или при
возникновении чирпирования частоты передатчика. PMD второго порядка может иметь
тот же порядок величины, что и хроматическая дисперсия, и прямо пропорциональна
длине линии в отличие от PMD первого порядка. Поэтому PMD второго порядка в
первую очередь учитывают для линий дальней связи. Однако в отличие от
хроматической дисперсии PMD второго порядка проявляет стохастический характер.
Статистика распределения вероятности DGD влияет
на PMD второго порядка тем сильнее, чем меньше требуемый коэффициент ошибок.
PMD второго порядка в какой-то степени зависит от скорости изменения величины
DGD с изменением длины волны. Однако гораздо сильнее величина PMD второго
порядка зависит от изменения направления основных состояний поляризации на
выходе волокна при изменении частоты оптического сигнала.
Нелинейности. Нелинейные эффекты в волоконной
оптике подобны нелинейным эффектам в других физических системах (механических
или электронных). Они порождают генерацию паразитных гармоник на частотах
равных сумме или разности основных частот системы. Эти дополнительные сигналы
приводят к непредсказуемым явлениям потерь в оптических сетях связи.
Нелинейность волокна не является дефектом
производства или конструкции волокна. Это неотъемлемое свойство материальной
среды при распространении в ней любой электромагнитной энергии. Нелинейные
эффекты следует учитывать из-за высокой когерентности используемого лазерного
излучения. При заданном уровне передаваемой мощности напряженность
электрического поля возрастет с увеличением степени когерентности излучаемых
волн. Таким образом, в системах WDM с высокой степенью когерентности оптические
сигналы даже умеренной мощности могут приводить к нелинейным явлениям.
Нелинейность волокна становится ощутимой, когда
интенсивность лазерного излучения (мощность на единицу поперечного сечения)
достигает порогового значения. Кроме того, влияние нелинейностей обнаруживается
после прохождения сигналом некоторого пути по волокну в зависимости от
параметров, конструкции волокна и условий его работы.
Действительно, напряженность электрического поля
E распространяющегося оптического сигнала пропорциональна его мощности P ,
умноженной на квадратичную по полю нелинейную добавку n2 показателя преломления
волокна и деленной на эффективную площадь сердцевины волокна Aeff, и может быть
представлена в соответствии с формулой 3.3:
,(3.3)
где:
α - затухание в
волокне;
β - фаза
распространяющейся волны;
γ - коэффициент
нелинейности.
.(3.4)
Для волокон со смещенной дисперсией (рек. ITU-T
G.653) и с ненулевой смещенной дисперсией (рек. ITU-T G.655) эффективная
площадь Aeff приблизительно равна 50-60 мкм2, в то время как для волокна со
смещенной дисперсией (рек. ITU-T G.652) она составляет около 80 мкм2. Иногда
используют понятие эффективной длины волокна Leff, дающей тот же эффект, что и
величина Aeff. Для типичного одномодового волокна Leff составляет 20 км.
В зависимости от характера поведения нелинейного
коэффициента γ все нелинейные
явления можно разделить на две категории. Это явления рассеяния (когда
действительная часть коэффициента γ дает
усиление или затухание) и явления преломления (когда мнимая часть коэффициента γ
приводит
к фазовой модуляции).
В явлениях рассеяния сигнал лазера рассеивается
на звуковых волнах (акустических фононах) или на молекулярных колебаниях
волокна (оптических фононах) и смещается в область более длинных волн. Имеют
место два следующих эффекта рассеяния:
вынужденное обратное рассеяние
Бриллюэна-Мандельштама (на акустических фононах);
вынужденное рамановское или комбинационное
рассеяние (на оптических фононах).
В явлениях, зависящих от показателя преломления,
при высоком уровне мощности сигнала необходимо учитывать нелинейность
показателя преломления (формула 3.5):
,(3.5)
где:- показатель преломления
волокна;- коэффициент нелинейности показателя преломления волокна (n2 = (2…3)∙10-16
см2/Вт для кварцевого волокна);- интенсивность оптического сигнала.
К явлениям, зависящим от показателя
преломления, относятся:
фазовая автомодуляция или
воздействие сигнала на собственную фазу;
перекрестная фазовая модуляция или
воздействие сигнала одного канала на фазу сигнала в другом канале;
четырехволновое смешение или
смешение некоторого числа волн с возникновением излучения на новых длинах волн.
При вынужденном обратном рассеянии
Бриллюэна-Мандельштама сигнал лазера создает периодические области с переменным
показателем преломления, т.е. дифракционную решетку, которая расходится от
оптического пучка подобно акустической волне. Отражения, вызванные этой
виртуальной решеткой, усиливаются (складываются) и обнаруживаются в форме
обратно рассеянного света с доплеровским понижением частоты (сдвигом в область
длинных волн). Данное явление может приводить к значительному повышению уровня
шумов и нестабильности распространения оптического сигнала, так как большая
часть его мощности рассеивается назад.
Например, для оптического сигнала с
длиной волны 1525 нм в волокне, соответствующем рек. ITU-T G.653, рассеиваемый
обратно сигнал понижает свою частоту примерно на 10,7 ГГц (+0,085 нм) при
полосе пропускания около 60 МГц. Для волокон рек. ITU-T G.652 рассеиваемый
обратно сигнал в том же волновом диапазоне снижает частоту на 11 ГГц (+0,088
нм) при полосе пропускания около 30 МГц (рисунок 3.4). На практике явление SBMS
начинают учитывать, если мощность монохроматического пучка света в волокне
превышает 6 дБм.
Рисунок 3.4 - Обратное рассеяние
Бриллюэна-Мандельштама
Для подавления обратного рассеяния
Бриллюэна-Мандельштама в существующих системах был разработан ряд методик.
Наиболее популярная заключается в быстром (~50 КГц) размывании длины волны
несущей частоты в диапазоне порядка 1 ГГц, что намного больше полосы
пропускания рассеянного назад сигнала (30-60 МГц).
Коэффициент комбинационного рассеяния (Рамана)
намного меньше (сечение комбинационного рассеяния 10-12 см/Вт), чем в явлении
обратного рассеяния Бриллюэна-Мандельштама. При этом частота сигнала понижается
намного больше. Для волн из диапазона 1550 нм она понижается от 10 до 15 ТГц,
что соответствует увеличению длины волны на 100 нм (рисунок 3.5).
Рисунок 3.5 - Комбинационное рассеяние (Рамана)
Рассеиваемый сигнал имеет намного большую ширину
полосы пропускания (около 7 ТГц или 55 нм). В системах WDM данное явление
служит механизмом переноса энергии от коротковолновых каналов к длинноволновым.
Фазовая автомодуляция. При очень высокой
интенсивности лазерного излучения сигнал может модулировать свою собственную
фазу. Такая модуляция расширяет спектр сигнала и уширяет или сжимает сигнал во
времени в зависимости от знака хроматической дисперсии. В хвосте волнового
пакета возникает сдвиг к более коротким длинам волн, а на переднем фронте - в область
длинных.
В системах WDM сигнал в спектрально уширенном
фазовой автомодуляцией канале может интерферировать с сигналами соседних
каналов.
Фазовая автомодуляция возрастает при:
увеличении вводимой в канал мощности при
постоянном эффективном сечении волокна;
увеличении скорости передачи в канале (при
высоких скоростях передачи фронт нарастания-спада информационного импульса
более крутой);
отрицательной хроматической дисперсии.
Фазовая автомодуляция создает больше проблем для
систем WDM с волокном рек. G.652 (нулевая дисперсия при 1310 нм) по сравнению с
системами, использующими волокно со смещенной дисперсией при 1550 нм (рек.
ITU-T G.653) и с ненулевой смещенной дисперсией (рек. ITU-T G.655). Уменьшение
частотного интервала между каналами или увеличение числа каналов в системе
незначительно влияют на рассматриваемое явление.
Фазовая автомодуляция уменьшается при:
нулевой или небольшой положительной
хроматической дисперсии;
увеличении эффективного сечения волокна;
компенсации дисперсии.
Явление перекрестной фазовой модуляции
заключается в том, что сигнал одного канала модулирует фазы сигналов в соседних
каналах. Перекрестная фазовая модуляция CPM (Cross-Phase Modulation)
чувствительна к тем же факторам, что и явление фазовой автомодуляции, а также к
увеличению числа каналов. Разнесение каналов, как и при фазовой автомодуляции,
на нее практически не влияет, но явление CPM уменьшается при:
увеличении эффективного сечения волокна;
компенсации дисперсии.
Перекрестная фазовая модуляция менее актуальна в
системах WDM, использующих волокна с большим эффективным сечением.
Четырехволновое смешение FWM (Four-Wave Mixing)
является одним из самых вредных нелинейных оптических явлений в системах WDM.
При достижении критического уровня мощности излучения лазера нелинейность
волокна приводит к взаимодействию трех волн с частотами ωi,
ωj, ωk и появлению новой четвертой волны на
частоте ωi±ωj±ωk.
Некоторые
частоты таких ложных сигналов могут попасть в рабочие полосы пропускания
каналов. В четырехканальной системе WDM может возникнуть 24 ложных сигнала, а в
16-канальной до 1920 (рисунок 3.6).
Помехи такого типа могут стать катастрофическими
для приемного устройства на конце линии.
Рисунок 3.6 - Четырехволновое смешение
Четырехволновое смешение чувствительно к:
увеличению мощности канала;
уменьшению частотного интервала между каналами;
увеличению числа каналов (несмотря на то, что
может быть достигнут уровень порога насыщения).
Действие четырехволнового смешения нужно
учитывать в системах, использующих волокно со смещенной дисперсией (Рек.
G.653). Оно менее критично в волокнах с ненулевой смещенной дисперсией (Рек.
G.655), особенно в волокнах с большой эффективной площадью. Увеличение скорости
передачи в канале незначительно влияет на эффективность четырехволнового
смешения.
Влияние четырехволнового смешения уменьшается
при:
увеличении эффективной площади волокна;
увеличении абсолютного значения хроматической
дисперсии.
Явление четырехволнового смешения менее опасно в
системах DWDM, использующих волокно с несмещенной дисперсией (Рек. G.652) на
длине волны 1550 нм, так как дисперсионная характеристика в этом случае
относительно пологая. Для волокна со смещенной дисперсией (рек. G.653)
дисперсионная кривая имеет крутой наклон в этом диапазоне и явление FWM
необходимо учитывать.
3.3 Мониторинг сети DWDM.
Контрольно-измерительное оборудование
Мониторинг системы DWDM - это непрерывный
контроль состояния активных каналов при помощи соответствующего набора тестов.
Мониторинг ведется как для того, чтобы выявлять любые отклонения в оптических
характеристиках сети, которые могут повлиять на ее работоспособность, так и для
сбора статистической информации. Мониторинг включает в себя широкий спектр
действий, начиная от планирования последовательности тестов и управления их
проведением и заканчивая анализом полученных данных.
Мониторинг активных волокон - не единственный
способ контроля состояния системы. Для этой цели можно также использовать
специально выделенный контрольный оптический канал OSC (Optical Supervisory
Channel). С помощью канала OSC ведется постоянное наблюдение за работой системы
и эффективностью передачи данных, выявляются различные неполадки, потери
мощности и другие нарушения целостности сигнала. Канал OSC позволяет проводить
все необходимые тесты непрерывно, а не по расписанию, и без отключения каналов.
Чтобы гарантировать целостность канала OSC, по которому могут передаваться
сигналы управления, длину волны для него обычно выбирают вне рабочего диапазона
усилителей EDFA.
Для тестирования с помощью канала OSC не
требуется какого-то специального тестового оборудования - используется только
то оборудование, которое необходимо для измерения выбранных характеристик. Для
мониторинга потерь в соединителях и местах сварки волокон можно использовать
измеритель мощности, а лучше - оптический рефлектометр OTDR. С помощью
рефлектометра OTDR можно обнаруживать некоторые проблемы в оптическом волокне
до их проявления. Определенные дефекты натяжения волокна легче обнаружить на
длине волны канала OSC, а не в рабочем диапазоне усилителя EDFA. Мониторинг
энергетического потенциала системы связи ведут с помощью перестраиваемого
аттенюатора и тестера оптических потерь.
Для мониторинга состояния оптического кабеля
используется разнообразное тестовое и измерительное оборудование. В первую
очередь, это оптические анализаторы спектра OSA и оптические рефлектометры
OTDR. Оптический анализатор спектра позволяет контролировать центральную длину
волны, расстояние между соседними каналами, а также общие характеристики, такие,
как мощность, отношение сигнал/шум и др. (рисунок 3.7).
Рисунок 3.7 - Измерение OSNR с помощью OSA
Основные характеристики OSA:
динамический диапазон - определяет возможность
измерения амплитуд сигналов в широком спектральном диапазоне;
чувствительность - способность измерять
оптические сигналы малой интенсивности;
разрешающая способность по полосе пропускания
RBW (Resolution BandWidth) - возможность различения близко расположенных длин
волн, которая необходима для исследования спектральной структуры каналов систем
DWDM;
точность - возможность точно и правильно
измерять длины волн и мощность.
Оптические рефлектометры (Optical Time Domain
Reflectometer - OTDR) являются наиболее полнофункциональным прибором для эксплуатационного
анализа оптических кабельных сетей.
Рефлектометр представляет собой комбинацию
импульсного генератора, разветвителя и измерителя сигнала и обеспечивает
измерение отраженной мощности при организации измерений с одного конца.
Рефлектометры действуют по принципу радара: в линию посылается импульс малой
длительности, который распространяется по оптическому кабелю в соответствии с
релеевским рассеянием и френелевским отражением на неоднородностях в оптическом
кабеле (дефекты материала, сварки, соединители и т.д.).
На рисунке 3.8 в качестве примера представлен
образец рефлектограммы ОВ.
Рисунок 3.8 - Рефлектограмма оптического волокна
Импульс в точке 0 соответствует локальному
френелевскому отражению от стыка входного торца общего канала ответвителя и
входного торца тестируемого ОВ, точка 1 соответствует месту соединения волокон
(например, при сращивании строительных длин). Наличие заметного скачка в точке
2 свидетельствует о плохом качестве соединения. Выброс 3 может
свидетельствовать о наличии локальной неоднородности типа микротрещины, точка 4
- френелевское отражение от выходного торца ОВ.
По рефлектограмме определяют:
общие потери в волокне и его коэффициент
затухания;
распределение потерь по длине волокна;
расположение муфт (сварных и механических
соединений) и потери в них;
место повреждения волокна;
длину оптического волокна.
3.4 Расчет линии связи по затуханию
и дисперсии
Прежде всего, необходимо рассчитать необходимую
пропускную способность системы с целью определения количества интерфейсов и их
скорости.
Участок сети проходит по территориям трех
субъектов федерации: Иркутской области, Читинской области и республики Бурятия.
Население этих субъектов является потребителем предоставляемых услуг связи.
По данным Всероссийской переписи населения 2010
г. численность населения этих трех субъектов федерации составляет:
Иркутская область:2428750 чел;
республика Бурятия:972031 чел;
Читинская область:1119000 чел.
Рассчитаем количество телефонных каналов между
субъектами федерации по формуле 3.6:
,(3.6)
где:
a1 =1,3 - постоянный коэффициент фиксированной
доступности;= 0,1 - коэффициент тяготения;
g = 0,05 Эрл - удельная нагрузка, т.е. средняя
нагрузка, создаваемая одним абонентом;и mb - количество абонентов,
обслуживаемых станциями АМТС в оконечных пунктах А и Б (т.е. в рассматриваемых
субъектах федерации);
b1 =5,6 - постоянный коэффициент заданных потерь.
Количество абонентов mi определяется в
зависимости от численности населения, проживающего в зоне обслуживания, и
рассчитывается по формуле 3.7:
,(3.7)
где:- коэффициент, показывающий
соотношение числа абонентов к общему числу населения субъекта федерации. Исходя
из статистических данных, которые показывают, что в настоящее время
стационарным телефоном пользуется 30% всего населения России, получаем
коэффициент mt = 0,3;- численность населения в субъекте федерации.
По формуле 3.7 вычислим число
абонентов:
в Иркутской области:m1 = 0,3 х
2428750 = 728625 чел;
в республике Бурятия:m2 = 0,3 х
972031 = 291600 чел;
в Читинской области:m3 = 0,3 х
1119000 = 335700 чел.
Теперь по формуле 3.6 подсчитаем
число телефонных каналов:
между Иркутской областью и
республикой Бурятия:
ntf1 = 1,3 х 0,1 х 0,05 х 728625 х 972031 /
(728625 + 972031) + 5,6 = 1359;
между Иркутской и Читинской областями:
= 1,3 х 0,1 х 0,05 х 728625 х 335700 / (728625 +
335700) + 5,6 = 1499.
Таким образом, суммарное количество телефонных
каналов:
+ ntf2 = 1359 + 1499 = 2859.
Требуемая пропускная способность B0 (Гбит/с)
системы DWDM может быть определена как максимальная скорость передачи
информации по волокну в соответствии с формулой 3.8:
,(3.8)
где:- телефонный трафик;- трафик
обычных интернет-пользователей;- трафик DSL-пользователей;- трафик
пользователей выделенной линии;- транзитный магистральный трафик 10 Гбит/с.
С учетом ранее рассчитанного числа
телефонных каналов, требуемая пропускная способность для телефонной связи со
скоростью ОЦК 64 Кбит/с: Btf = 0,000064 х 2859 = 0,183 Гбит/с.
Теперь вычислим требуемую пропускную
способность для интернет-трафика. Предположим, что по данной магистрали
проходит до 30% всего интернет-трафика региона. Данное предположение основано
на факте существования в регионе еще двух магистралей (Тайшет - Новый Уоян -
Хабаровск и Тайшет - Улан-Батор - Хабаровск).
По формуле 3.9 определим количество
интернет-пользователей, обслуживаемых данной магистралью:
,(3.9)
связь линия дисперсия
затухание
где:= 0,47 - доля постоянных
интернет-пользователей от общего числа населения РФ - 47%;, Nbur, Nch -
количество населения в Иркутской, Читинской областях и республике Бурятия.
Тогда по формуле 3.9 получим: Nint =
0,3 х 0,47 х (2428750 + 972031 + + 1119000) = 637288 чел.
Требуемую пропускную способность для
интернет-пользователей вычислим по формуле 3.10:
,(3.10)
где:-
доля пользователей определенного вида услуг в процентах от общего числа
интернет-пользователей;- скорость соединения, Гбит/с;- удельная нагрузка, Эрл.
Доля
обычных интернет-пользователей со скоростью соединения V = 0,000056 Гбит/с и
удельной нагрузкой E = 0,04 Эрл составляет 10%.
=
0,1 х 0,000056 х 0,04 х 637288 = 0,143 Гбит/с.
Доля DSL-пользователей со скоростью соединения V
= 0,001 Гбит/с и удельной нагрузкой E = 0,2 Эрл составляет 36%.
= 0,36 х 0,001 х 0,2 х 637288 = 46 Гбит/с.
Доля пользователей выделенной линии со скоростью
соединения V = 0,001 Гбит/с и удельной нагрузкой E = 0,2 Эрл составляет 54%.
= 0,54 х 0,001 х 0,2 х 637288 = 69 Гбит/с.
Тогда по формуле 3.8 получим:
= 0,183 + 0,143 + 46 + 69 + 10 = 125,3 Гбит/с.
Итак, при скорости интерфейсного потока в 10
Гбит/с требуемое число каналов составит Nl = B0 / 10 = 13
каналов.
В периоды пиковых нагрузок требуемая пропускная
способность магистрали возрастает. Предположим, что она может увеличиться в
полтора раза. Тогда требуемое число каналов составит Nl
= 1,5 х 13 = 20 каналов.
Определим возможную длину регенерационного
участка. Необходимо отдельно рассчитать длины участка по затуханию (La) и по
дисперсии (Lw), так как причины, ограничивающие предельные значения этих
величин, независимы друг от друга.
В общем случае необходимо рассчитывать два
значения длины регенерационного участка по затуханию:- максимальная проектная
длина участка регенерации;- минимальная проектная длина участка регенерации.
Расчеты выполним по выражениям 3.11 - 3.13:
,(3.11)
,(3.12)
,(3.13)
где:,
Amin (дБ) - максимальное/минимальное значение перекрываемого затухания
аппаратуры ВОСП, обеспечивающее к концу срока службы значение коэффициента
ошибок BER < 1 х 10-10; для оборудования Huawei Optix BWS 1600g значения
параметров составляют Amax = 32 дБ, Amin = 1 дБ;= 6 дБ - системный запас ВОСП
по кабелю на участке регенерации;= 2 - количество разъемных оптических
соединений на участке регенерации;= 0,5 дБ - значение затухания мощности
сигнала на разъемных оптических соединениях;= 0,25 дБ/км - километрическое
затухание волокна Corning LEAF;= 0,05 дБ - среднее значение затухания мощности
сигнала на неразъемных оптических соединениях;= 4 км - строительная длина
кабеля;= 4 пс/нм*км - дисперсия одномодового оптоволокна Corning LEAF;= 0,1 нм
- ширина спектра ПОМ Huawei Optix BWS 1600g;= 9953 МГц - широкополосность
передаваемого сигнала.
Тогда,
используя выражения 3.11 - 3.13, получим:
Lamax = (32 - 6 - 2 х 0,5) / (0,25 + 0,05 / 4) =
95,2 км;= 1 / (0,25 + 0,05 / 4) = 3,81 км;= 4,4 x 105 / (4 х 0,1 х 9953) =
110,51 км.
Итак, длина участка должна быть в пределах от
3,81 км до 95,2 км. В таблице 3.2 приведены проектные длины участков.
При передаче сигналов по ВОЛС используются
методы импульсной кодовой модуляции, т.е. передаваемая информация
представляется в виде двоичных кодов - битов 1 и 0, причем 1 соответствует
высокому уровню мощности, а 0 - низкому. Модулированный сигнал передается по ОВ
импульсами с длительностью t0 и скоростью передачи B0
бит/с. В процессе распространения вследствие дисперсии происходит «размывание»
импульсов, т.е. увеличение их длительности.
Если длительность t полученных
приемником импульсов превысит битовый интервал, то произойдет наложение соседних
импульсов друг на друга, что вызовет межсимвольную интерференцию.
Следовательно, приемник не сможет распознать отдельные импульсы, и в результате
этого увеличится коэффициент битовых ошибок BER. Битовый интервал T0 (пс)
связан со скоростью передачи сигналов B0 соотношением 3.14:
.(3.14)
Для стандарта STM-64 получаем T0 =
100,5 пс.
Таблица 3.2 - Длины кабельных
участков на трассе Иркутск - Чита
|
ЖД
|
Км
|
Станция
|
Протяженность
участка, км
|
Расстояние,
км
|
|
В.-Сиб.
ЖД
|
5185
|
Иркутск-Пасс.
|
38
|
|
0
|
|
5223
|
Большой
Луг
|
|
88
|
38
|
|
5311
|
Слюдянка
I
|
41
|
|
126
|
|
5352
|
Байкальск
|
|
68
|
167
|
|
5420
|
Танхой
|
57
|
|
235
|
|
5477
|
Мысовая
|
|
66
|
292
|
|
5543
|
Тимлюй
|
60
|
|
358
|
|
5603
|
Татаурово
|
|
38
|
418
|
|
5641
|
Улан-Удэ
|
48
|
|
456
|
|
5689
|
Заиграево
|
|
61
|
504
|
|
5750
|
Горхон
|
34
|
|
565
|
|
Заб.
ЖД
|
5784
|
Петровский
Завод
|
|
43
|
599
|
|
5827
|
Новопавловка
|
56
|
|
642
|
|
5883
|
Бада
|
|
50
|
698
|
|
5933
|
Хилок
|
59
|
|
748
|
|
5992
|
Харагун
|
|
62
|
807
|
|
6054
|
Могзон
|
65
|
|
869
|
|
6119
|
Яблоновая
|
|
75
|
934
|
|
6194
|
Чита
II
|
|
|
1009
|
Максимальная длительность импульса определяется
отношением 3.15:
.(3.15)
Следовательно, при скорости передачи
B0 = 9953 Мбит/с допустимая длительность импульса составит t = 50,236 пс.
Начальная длительность импульса
определяется из выражения 3.16:
.(3.16)
Для STM-64 t0 = 25,118 пс.
Конечная длительность импульса на
i-м участке выражается через его начальную длительность t0 соотношением 3.17:
,(3.17)
где:
trezCi
- полная результирующая дисперсия на i-м участке с учетом компенсации.
Проведем расчет дисперсии для
каждого участка из таблицы 3.2.
Поляризационная модовая дисперсия tpmd (пс) для i-го участка
рассчитывается из выражения 3.18:
,(3.18)
где:=0,1 пс/км - заявленная
производителем ПМД волокна;- длина i-го участка, км.
Результаты расчетов ПМД приведены в
таблице 3.3.
Хроматическая дисперсия i-го участка
в пикосекундах определяется из выражения 3.19:
.(3.19)
Результаты расчетов сведены в
таблицу 3.4.
Таблица 3.3 - Участковые значения
ПМД на трассе Иркутск - Чита
|
№
п.п.
|
Участок
|
Длина
участка, км
|
ПМД,
пс
|
|
1
|
Иркутск-Пасс.
- Большой Луг
|
38
|
0,616
|
|
2
|
Большой
Луг - Слюдянка I
|
88
|
0,938
|
|
3
|
Слюдянка
I - Байкальск
|
41
|
0,640
|
|
4
|
Байкальск
- Танхой
|
68
|
0,825
|
|
5
|
Танхой
- Мысовая
|
57
|
0,755
|
|
6
|
Мысовая
- Тимлюй
|
66
|
0,812
|
|
7
|
Тимлюй
- Татаурово
|
60
|
0,775
|
|
8
|
Татаурово
- Улан-Удэ
|
38
|
0,616
|
|
9
|
Улан-Удэ
- Заиграево
|
48
|
0,693
|
|
10
|
Заиграево
- Горхон
|
61
|
0,781
|
|
11
|
Горхон
- Петровский Завод
|
34
|
0,583
|
|
12
|
Петровский
Завод - Новопавловка
|
43
|
0,656
|
|
13
|
Новопавловка
- Бада
|
56
|
0,748
|
|
14
|
Бада
- Хилок
|
50
|
0,707
|
|
15
|
Хилок
- Харагун
|
59
|
0,768
|
|
16
|
Харагун
- Могзон
|
62
|
0,787
|
|
17
|
Могзон
- Яблоновая
|
65
|
0,806
|
|
18
|
Яблоновая
- Чита-II
|
75
|
0,866
|
Таблица 3.4 - Участковые значения хроматической
дисперсии на трассе Иркутск - Чита
|
№
п.п.
|
Участок
|
Длина
участка, км
|
Хроматическая
дисперсия, пс
|
|
1
|
Иркутск-Пасс.
- Большой Луг
|
38
|
15,2
|
|
2
|
Большой
Луг - Слюдянка I
|
88
|
35,2
|
|
3
|
Слюдянка
I - Байкальск
|
41
|
16,4
|
|
4
|
Байкальск
- Танхой
|
68
|
27,2
|
|
5
|
Танхой
- Мысовая
|
57
|
22,8
|
|
6
|
Мысовая
- Тимлюй
|
66
|
26,4
|
|
7
|
Тимлюй
- Татаурово
|
60
|
24,0
|
|
8
|
38
|
15,2
|
|
9
|
Улан-Удэ
- Заиграево
|
48
|
19,2
|
|
10
|
Заиграево
- Горхон
|
61
|
24,4
|
|
11
|
Горхон
- Петровский Завод
|
34
|
13,6
|
|
12
|
Петровский
Завод - Новопавловка
|
43
|
17,2
|
|
13
|
Новопавловка
- Бада
|
56
|
22,4
|
|
14
|
Бада
- Хилок
|
50
|
20,0
|
|
15
|
Хилок
- Харагун
|
59
|
23,6
|
|
16
|
Харагун
- Могзон
|
62
|
24,8
|
|
17
|
Могзон
- Яблоновая
|
65
|
26,0
|
|
18
|
Яблоновая
- Чита-II
|
75
|
30,0
|
.(3.20)
Рассчитанные значения приведены в
таблице 3.5.
Таблица 3.5 - Участковые значения полной
дисперсии на трассе Иркутск - Чита
|
№
п.п.
|
Участок
|
Длина
участка, км
|
Полная
дисперсия, пс
|
|
1
|
Иркутск-Пасс.
- Большой Луг
|
38
|
15,2
|
|
2
|
Большой
Луг - Слюдянка I
|
88
|
35,2
|
|
3
|
Слюдянка
I - Байкальск
|
41
|
16,4
|
|
4
|
Байкальск
- Танхой
|
68
|
27,2
|
|
5
|
Танхой
- Мысовая
|
57
|
22,8
|
|
6
|
Мысовая
- Тимлюй
|
66
|
26,4
|
|
7
|
Тимлюй
- Татаурово
|
60
|
24,0
|
|
8
|
Татаурово
- Улан-Удэ
|
38
|
15,2
|
|
9
|
Улан-Удэ
- Заиграево
|
48
|
19,2
|
|
10
|
Заиграево
- Горхон
|
61
|
24,4
|
|
11
|
Горхон
- Петровский Завод
|
34
|
13,6
|
|
12
|
Петровский
Завод - Новопавловка
|
43
|
17,2
|
|
13
|
Новопавловка
- Бада
|
56
|
22,4
|
|
14
|
Бада
- Хилок
|
50
|
20,0
|
|
15
|
Хилок
- Харагун
|
59
|
23,6
|
|
16
|
Харагун
- Могзон
|
62
|
24,8
|
|
17
|
Могзон
- Яблоновая
|
65
|
26,0
|
|
18
|
Яблоновая
- Чита-II
|
75
|
30,0
|
На раздельных пунктах производится компенсация
дисперсии. Характеристики модулей компенсации дисперсии Huawei Optix BWS 1600g
приведены в таблице 3.6.
Таблица 3.6 - Характеристики DCM Huawei Optix
BWS 1600g
|
Наименование
модуля
|
Вносимое
затухание, дБ
|
Компенсируемая
длина участка, км
|
Полная
отрицательная дисперсия модуля, пс
|
|
DCM-A
|
4
|
20
|
-8,012
|
|
DCM-B
|
5
|
40
|
-16,012
|
|
DCM-C
|
6
|
60
|
-24,012
|
|
DCM-D
|
7
|
80
|
-32,012
|
|
DCM-E
|
8
|
100
|
-40,012
|
Значения полной дисперсии на каждом участке с
учетом компенсации сведены в таблицу 3.7.
Таблица 3.7 - Результирующая дисперсия по
участкам на трассе Иркутск - Чита
|
№
п.п.
|
Участок
|
Длина
участка, км
|
Модуль
компенсации
|
Результирующая
дисперсия, пс
|
|
1
|
Иркутск-Пасс.
- Большой Луг
|
38
|
DCM-B
|
-0,8
|
|
2
|
Большой
Луг - Слюдянка I
|
88
|
DCM-D
|
3,2
|
|
3
|
Слюдянка
I - Байкальск
|
41
|
DCM-B
|
0,4
|
|
4
|
Байкальск
- Танхой
|
68
|
DCM-C
|
3,2
|
|
5
|
Танхой
- Мысовая
|
57
|
DCM-C
|
-1,2
|
|
6
|
Мысовая
- Тимлюй
|
66
|
DCM-C
|
2,4
|
|
7
|
Тимлюй
- Татаурово
|
60
|
DCM-C
|
0
|
|
8
|
Татаурово
- Улан-Удэ
|
38
|
DCM-B
|
-0,8
|
|
9
|
Улан-Удэ
- Заиграево
|
48
|
DCM-B
|
3,2
|
|
10
|
Заиграево
- Горхон
|
61
|
DCM-C
|
0,4
|
|
11
|
Горхон
- Петровский Завод
|
34
|
DCM-B
|
-2,4
|
|
12
|
Петровский
Завод - Новопавловка
|
43
|
DCM-B
|
1,2
|
|
13
|
Новопавловка
- Бада
|
56
|
DCM-C
|
-1,6
|
|
14
|
Бада
- Хилок
|
50
|
DCM-B
|
4
|
|
15
|
Хилок
- Харагун
|
59
|
DCM-C
|
-0,4
|
|
16
|
Харагун
- Могзон
|
62
|
DCM-C
|
0,8
|
|
17
|
Могзон
- Яблоновая
|
65
|
DCM-C
|
2
|
|
18
|
Яблоновая
- Чита-II
|
75
|
DCM-D
|
-2
|
Величины конечной длительности импульса на i-м
участке с учетом влияния дисперсии и ее компенсации, рассчитанные по формуле
3.17, представлены в таблице 3.8.
Таблица 3.8 - Длительность импульса данных при
передаче по трассе Иркутск - Чита
|
№
п.п.
|
Участок
|
Длина
участка, км
|
Длительность
импульса, пс
|
|
Начальная
длительность
|
25,118
|
|
1
|
Иркутск-Пасс.
- Большой Луг
|
38
|
25,131
|
|
2
|
Большой
Луг - Слюдянка I
|
88
|
25,334
|
|
3
|
Слюдянка
I - Байкальск
|
41
|
25,337
|
|
4
|
Байкальск
- Танхой
|
68
|
25,538
|
|
5
|
Танхой
- Мысовая
|
57
|
25,566
|
|
6
|
Мысовая
- Тимлюй
|
66
|
25,679
|
|
7
|
Тимлюй
- Татаурово
|
60
|
25,679
|
|
8
|
Татаурово
- Улан-Удэ
|
38
|
25,691
|
|
Регенерация
|
25,118
|
|
9
|
Улан-Удэ
- Заиграево
|
48
|
25,321
|
|
10
|
Заиграево
- Горхон
|
61
|
25,324
|
|
11
|
Горхон
- Петровский Завод
|
34
|
25,438
|
|
12
|
Петровский
Завод - Новопавловка
|
43
|
25,466
|
|
13
|
Новопавловка
- Бада
|
56
|
25,516
|
|
14
|
Бада
- Хилок
|
50
|
25,828
|
|
15
|
Хилок
- Харагун
|
59
|
25,831
|
|
16
|
Харагун
- Могзон
|
62
|
25,843
|
|
17
|
Могзон
- Яблоновая
|
65
|
25,921
|
|
18
|
Яблоновая
- Чита-II
|
75
|
25,998
|
Величина затухания на i-м участке определяется
по формуле 3.18:
,(3.18)
где:- количество неразъемных сварных соединений
на i-м участке, определяемое отношением длины участка к строительной длине
кабеля.
Рассчитанные величины затухания приведены в
таблице 3.9.
Таблица 3.9 - Участковые величины затухания в
кабеле на трассе Иркутск - Чита
|
№
п.п.
|
Участок
|
Длина
участка, км
|
Величина
затухания, дБ
|
|
1
|
Иркутск-Пасс.
- Большой Луг
|
38
|
11
|
|
2
|
Большой
Луг - Слюдянка I
|
88
|
24,1
|
|
3
|
Слюдянка
I - Байкальск
|
41
|
11,8
|
|
4
|
Байкальск
- Танхой
|
68
|
|
5
|
Танхой
- Мысовая
|
57
|
16
|
|
6
|
Мысовая
- Тимлюй
|
66
|
18,35
|
|
7
|
Тимлюй
- Татаурово
|
60
|
16,75
|
|
8
|
Татаурово
- Улан-Удэ
|
38
|
11
|
|
9
|
Улан-Удэ
- Заиграево
|
48
|
13,6
|
|
10
|
Заиграево
- Горхон
|
61
|
17,05
|
|
11
|
Горхон
- Петровский Завод
|
34
|
9,95
|
|
12
|
Петровский
Завод - Новопавловка
|
43
|
12,3
|
|
13
|
Новопавловка
- Бада
|
56
|
15,7
|
|
14
|
Бада
- Хилок
|
50
|
14,15
|
|
15
|
Хилок
- Харагун
|
59
|
16,5
|
|
16
|
Харагун
- Могзон
|
62
|
17,3
|
|
17
|
Могзон
- Яблоновая
|
65
|
18,1
|
|
18
|
Яблоновая
- Чита-II
|
75
|
20,7
|
3.5 Анализ параметров оптической
линии
Технические требования к линии связи обычно
задаются с помощью допустимого значения коэффициента ошибок BER (Bit Error
Rate), который зависит от конкретного приложения и может меняться от 10-3 для
случая цифровой передачи голоса до 10-12 для передачи данных. Для того чтобы
линия связи могла поддерживать большое число приложений, она должна иметь очень
низкое значение BER. Система DWDM должна иметь низкое значение BER на каждом из
каналов по отдельности.
Чувствительность приемника показывает, при какой
минимальной мощности принимаемого сигнала приемник еще обеспечивает требуемое
значение BER. Чтобы определить уровень мощности сигнала, который попадает на
приемник, необходимо знать бюджет линии связи - суммарные потери мощности на
всех компонентах от передатчика до приемника.
Разность между мощностью сигнала, поступающего в
приемник, и чувствительностью приемника - важная величина, которую называют
запасом потерь линии связи. Обычно при проектировании линий связи запас потерь
должен составлять не менее 5 дБ. Как бы аккуратно и тщательно не был подсчитан
бюджет линии, значения каких-то величин могут оказаться больше ожидаемых; кроме
того, возможно появление неучтенных источников потерь. Номинальные значения
характеристик, указанные поставщиком, также иногда могут отличаться от их
фактических значений. Поэтому при проектировании линии связи необходимо
предусматривать некоторый запас по потерям.
На основании рассчитанных данных можно построить
диаграмму уровней сигнала на линии в обоих направлениях: Иркутск - Чита
(рисунок 3.9) и Чита - Иркутск (рисунок 3.10). Проанализируем эти диаграммы.
Уровень мощности сигнала источника излучения,
который может обеспечить OTU E2LWF системы Huawei Optix BWS 1600g, в нормальных
условиях должен находиться в пределах -5…0 дБм. Колебания мощности могут быть
обусловлены температурными воздействиями или старением лазера. Для данного
участка установлена мощность источника -2 дБм в обоих направлениях.
Уровень мощности сигнала на приемнике для
оборудования Huawei Optix BWS 1600g должен находиться в пределах -14…0 дБм. Это
условие распространяется как на терминальное оборудование оконечных пунктов,
так и на оборудование пунктов ввода/вывода каналов. Пределы отмечены на
диаграммах красным цветом.
Значение затухания мощности сигнала на OTM при
мультиплексировании/демультиплексировании 13-ти каналов составляет 6 дБм. При
увеличении числа каналов до 20-ти затухание может достигнуть 8 дБм. Затухание
мощности сигнала на OADM составляет 3 дБм. Значения затухания мощности в
компенсаторах дисперсии приведены в таблице 3.6.
Значения мощности на приеме в направлении
Иркутск - Чита приведены в таблице 3.10.
Таблица 3.10 - Мощность сигнала на приеме в
направлении Иркутск - Чита
|
№
п.п.
|
Пункт
приема сигнала
|
Мощность
сигнала, дБм
|
|
1
|
Слюдянка-I
|
-4
|
|
2
|
Байкальск
|
-4
|
|
3
|
Тимлюй
|
-3
|
|
4
|
Улан-Удэ
|
-5
|
|
5
|
Петровский
Завод
|
-4
|
|
6
|
Хилок
|
-4
|
|
7
|
Чита-II
|
-4
|
Запас по мощности приема, таким образом,
составляет не менее 9 дБм. Этого значения достаточно, чтобы качество приема
оставалось в допустимых пределах в течение всего срока службы оборудования с
учетом воздействия вредных факторов.
Наивысший уровень мощности сигнала в линии
составляет 7 дБм. Этот уровень достигается на участках Большой Луг - Слюдянка-I
и Яблоновая - Чита-II. Нелинейные же эффекты начинают особенно сильно
проявляться при мощностях сигнала свыше 17 дБм.
Минимальный уровень мощности сигнала в линии
составляет -29 дБм. Он достигается на участках Байкальск - Танхой и Заиграево -
Горхон. Нижний порог чувствительности оптических усилителей составляет -34 дБм.
Значения мощности на приеме в направлении
Иркутск - Чита приведены в таблице 3.11.
Таблица 3.11 - Мощность сигнала на приеме в
направлении Чита - Иркутск
|
№
п.п.Пункт приема сигналаМощность сигнала, дБм
|
|
|
|
1
|
Хилок
|
-4
|
|
2
|
Петровский
Завод
|
-4
|
|
3
|
Улан-Удэ
|
-4
|
|
4
|
Тимлюй
|
-4
|
|
5
|
Байкальск
|
-4
|
|
6
|
Слюдянка-I
|
-4
|
|
7
|
Иркутск-Пасс.
|
-4
|
Запас по мощности приема, таким образом,
составляет не менее 10 дБм.
Наивысший уровень мощности сигнала в линии
составляет 12 дБм. Этот уровень достигается на участке Чита-II - Яблоновая.
Напомним, что нелинейные эффекты начинают особенно сильно проявляться при
мощностях сигнала свыше 17 дБм.
Минимальный уровень мощности сигнала в линии
составляет -28 дБм на участке Тимлюй - Мысовая.
Подведем итоги. Системный запас по мощности
приема составляет 9-10 дБм. Этого достаточно для поддержания приемлемого
качества сигнала на протяжении гарантированного срока службы оборудования.
Минимальный уровень сигнала в линии не опускается ниже -29 дБм при нормальных
условиях. Нижний порог чувствительности оптических усилителей составляет -34
дБм, т.е. существует запас по мощности не менее 5 дБм. Максимальная мощность
сигнала в линии достигает 12 дБм. Нелинейные эффекты начинают проявляться при
уровне сигнала свыше 17 дБм. Таким образом, существует запас по мощности
усиления в 5 дБм.
Уширение импульса за счет дисперсии не оказывает
существенного влияния на качество передаваемого сигнала благодаря ее
своевременной компенсации. Подробные расчеты были проведены в пункте 3.4.
Нелинейные эффекты обычно обнаруживаются только
в процессе эксплуатации сети, предсказать их появление и степень воздействия не
представляется возможным. Известно, что на возникновение нелинейностей сильно
влияет высокий уровень мощности сигнала. Этот параметр учтен и приведен в
расчетах.
В системе Huawei Optix BWS 1600g предусмотрена
возможность дистанционного мониторинга параметров оборудования и состояния
оптического тракта, что позволяет своевременно обнаруживать возникновение
неисправностей и аномалий.
4. Раздел информационной
безопасности
Важнейшая составляющая системы защиты информации
- обеспечение физической безопасности системы передачи данных. Угрозам
подвергается не только оборудование DWDM, установленное в узлах линии связи, но
и сам оптический тракт - кабель, подвешенный на опорах КС, и места его
соединения (муфты). К числу таких угроз можно отнести:
естественные факторы (в т.ч. климатические);
вредоносные действия человека.
Участок сети проходит по территориям Иркутской и
Читинской областей, а также республики Бурятия. В этих районах господствует
резко-континентальный климат, который характеризуется большими амплитудами
колебаний температур, как годовых, так и суточных. В этих условиях в холодное
время года возможно промерзание оптических муфт вследствие конденсации влаги и
ее последующего замерзания (рисунок 4.1).
Рисунок 4.1 - Последствия промерзания оптической
муфты
Существенной угрозой целостности кабеля являются
также ураганы и землетрясения, которые нередки в южных и юго-восточных районах
Байкала.
Вредоносные действия человека чаще всего
проявляются в виде воровства участка кабеля.
Для восстановления кабеля и муфт после
повреждений вдоль всего участка сети размещаются ремонтно-восстановительные
бригады.
Также важной физической составляющей
информационной безопасности сети является электробезопасность. Установка
дополнительных источников питания не только помогает предотвратить повреждение
оборудования от скачков напряжения и возгорания, но также предотвращает потери
данных при отключении питания. На рисунке 4.2 показан типовой пример размещения
дополнительных источников питания и стабилизаторов напряжения в стойках с
оборудованием Huawei Optix BWS1600g.
Рисунок 4.2 -