Анализ производительности однонаправленных и двунаправленных широкополосных пассивных оптических сетей

Ключевые слова

Сети доступа, частота ошибок по битам, широкополосная пассивная оптическая сеть, пассивная оптическая сеть, коэффициент качества.

ВВЕДЕНИЕ

Развитие систем связи увеличило потребность в большой полосе пропускания для отправки большего количества данных с более высокой скоростью. Абонентам требуется высокоскоростная сеть для передачи голоса и мультимедийных услуг. Это требует сетей большей емкости при меньших затратах. Когда данные передаются по сети, надежная конечная доставка пакетов является одним из основных требований как для пользователя, так и для сети, но есть много основных причин, которые могут привести к потере пакетов, например, перегрузка в сети. Методы доступа, основанные на оптоволокне, являются оптимальным решением для предоставления различных услуг в помещениях клиентов.

Сеть доступа соединяет центральные офисы (СО) поставщика услуг с абонентами. Сеть доступа - это часть сети связи, которая соединяет абонентов с их непосредственным поставщиком услуг. Активная оптическая сеть (AON), первая основанная на сети доступа, характеризовалась одним волокном, которое передает весь трафик к удаленному узлу (RN), в основном с электрическим коммутационным оборудованием, которое размещается рядом с конечными пользователями из центрального офиса. Активная оптическая сеть (AON) имеет ограничения по расстоянию и полосе пропускания. Позже активный узел заменяется с пассивным компонентом, ведущим к развитию пассивной оптической сети (PON).

Пассивная оптическая сеть (PON) - это архитектура оптоволоконной сети доступа, которая доставляет оптоволоконные кабели и сигналы в дом с использованием схемы многоточечной связи, которая позволяет одному оптическому волокну обслуживать несколько помещений с помощью пассивных компонентов. PON состоит из оптического линейного терминала (OLT) в центральном офисе поставщика услуг и ряда оптических сетевых модулей (ONU) рядом с конечными пользователями. Это совместно используемая сеть, в которой OLT отправляет единый поток нисходящего трафика, который видят все ONU. Каждый ONU считывает только содержимое тех пакетов, которые ему адресованы. Существуют разные типы стандартов PON, которые в основном отличаются друг от друга скоростью передачи данных.

Широкополосный PON (BPON), как определено в серии ITU-T G.983, является усовершенствованием системы пассивных оптических сетей ATM (APON). BPON предлагает множество широкополосных услуг, включая ATM, доступ к Ethernet и распространение видео. Базовая архитектура BPON следует стандартной схеме PON с максимальным расстоянием передачи 20 км между OLT и ONT (или ONU). Нисходящий трафик голоса и данных 1490 нм передается с использованием мультиплексирования с временным разделением (TDM) ячеек ATM, а голосовой трафик и трафик данных восходящего потока 1310 нм (в форме ячеек ATM) передается с помощью множественного доступа с временным разделением (TDMA) протокол. BPON использует мультиплексирование с разделением по длине волны (WDM) для нисходящей передачи голоса, данных и видео. BPON имеет два ключевых преимущества: во-первых, он обеспечивает третью длину волны для видеоуслуг, во-вторых, это стабильный стандарт, который повторно использует ATM инфраструктура.

СИСТЕМНЫЙ ДИЗАЙН

Однонаправленный BPON - это PON с нисходящей передачей. Блок-схема однонаправленного BPON с двумя пользователями показана на рисунке 1. OLT - это блок передатчика, который состоит из пользователя, генератора заданной битовой последовательности, генератора импульсов NRZ, лазера непрерывной волны и модулятора Маха-Цендера. Блок приемника формирует ONU, который включает фотодетектор APD, фильтр низких частот Бесселя, регенератор 3R и анализатор BER.

Однонаправленный BPON был смоделирован с использованием длины волны 1490 нм для волокон разной длины. С помощью определяемого пользователем генератора битовой последовательности сигнал данных генерируется со скоростью передачи данных 622,08 Мбит / с, соответствующей BPON.

Сгенерированный сигнал затем кодируется с помощью генератора импульсов NRZ. Длина волны установлена ??равной 1490 нм, а мощность - 0,2 дБмВт в источнике непрерывного излучения (CW). Модулятор Маха-Цендера (MZM) - это оптический модулятор, который используется для изменения интенсивности света непрерывного лазера в соответствии с выходной мощностью генератора импульсов NRZ.

Модулятор Маха-Цендера состоит из двух ответвителей и двух волноводов одинаковой длины. Эти два волновода образуют два плеча модулятора Маха-Цендера. Входной оптический сигнал от лазера разделяется на два и проходит через плечи MZM. Фазовый сдвиг происходит из-за электрооптического эффекта, когда выходной электрический импульс от генератора импульсов NRZ будет изменять напряжение, следовательно, изменяя показатели преломления волноводов. Выходной сигнал модулятора Маха-Цендера будет передаваться в ONU по оптоволоконному каналу. Схема моделирования однонаправленного BPON показана на рисунке 2.

В качестве канала передачи используется волоконно-оптический канал с затуханием 0,2 дБ / км. Оптический аттенюатор с малым затуханием используется для уменьшения уровня мощности оптического сигнала, передаваемого по оптическому волокну. На стороне приемника для приема и разделения сигналов пользователям используется делитель мощности. Каждый из сигналов детектируется фотодетектором. Фотодетектор используется в основном как оптический приемник для преобразования света в электричество. Здесь APD используется как фотодетектор. Свойства APD установлены как: усиление установлено на 3, чувствительность как 1 А / Вт, а темновой ток равен 10 нА. Выходной сигнал APD подается на фильтр нижних частот Бесселя, центрированный на частоте 0,75 x битрейт Гц.

Фильтры нижних частот (LPF) используются для фильтрации высокочастотных компонентов. Отфильтрованный выходной сигнал подается в регенератор 3R и получает данные, которые были изначально переданы, и выходной сигнал анализируется с помощью анализатора BER, который можно использовать для создания глазковой диаграммы, которая используется для анализа производительности системы, для переменной длины. оптического волокна.

Двунаправленный BPON - это PON как с нисходящей, так и с восходящей передачами. Блок-схема для двунаправленного BPON с 2 пользователями показана на рисунке 3 с OLT, имеющим блок передатчика нисходящего потока с определенным пользователем генератором битовой последовательности, генератором импульсов NRZ, лазером непрерывной волны и модулятором Маха-Цендера, а блок приемника восходящего потока состоит из фотодетектора APD, фильтра нижних частот Бесселя, регенератора 3R и анализатора BER, а также ONU с соответствующими секциями нисходящего приемника и восходящего передатчика.

Передатчик, одномодовое волокно, оптический разветвитель, оптические сетевые блоки (ONU) и анализатор BER были подключены систематически. Все ONU содержат отдельный передатчик для модуляции пользовательских данных на лазерный луч и отправки в оптический разветвитель, который действует как объединитель сигналов в восходящем направлении. Объединенный сигнал затем передается по оптическому волокну, и на стороне OLT приемник обнаруживает оптический сигнал и выдает значение BER, соответствующее качеству принятого сигнала.

Секция передатчика как для нисходящего, так и для восходящего направлений состоит из генератора определяемой пользователем последовательности битов, с помощью которого генерируется передаваемый сигнал со скоростью передачи данных 622,08 Мбит / с, соответствующей BPON. Источник непрерывного лазера с длиной волны в нисходящем направлении 1490 нм и длиной волны в восходящем направлении 1310 нм с мощностью 0,2 дБм используется для изменения интенсивности передаваемых данных от генератора импульсов NRZ с помощью модулятора Маха-Цендера. Затем модулированный сигнал проходит через двунаправленный циркулятор по двунаправленному волокну.

Канал передачи представляет собой двунаправленный волоконно-оптический канал с затуханием 0,2 дБ / км и дисперсией 16,75 пс / нм / км. Двунаправленный циркулятор с изоляцией, вносимыми и обратными потерями в зависимости от длины волны используется для разделения оптических сигналов восходящего и нисходящего каналов. На стороне приемника используется двунаправленный делитель мощности 1 x N для двунаправленной передачи сигналов, а затем каждый из сигналов обнаруживается фотодетектором. Элемент задержки, который используется при передаче, используется для создания задержки оптического сигнала. Задержка добавляется путем отправки нулевого сигнала на выходной порт. Динамический выбор Y используется для передачи восходящих сигналов по тому же оптическому волокну, по которому передаются нисходящие сигналы.

Фотодетектор, APD, используется для преобразования оптических сигналов в электрические сигналы, которые проходят через фильтры Бесселя нижних частот и регенераторы 3R. Используя генератор 3R, можно восстановить исходную последовательность битов и электрический сигнал. Эти три сигнала могут быть напрямую подключены к анализатору BER, избегая дополнительных соединений между передатчиком и приемником. Анализатор BER можно использовать для создания глазковой диаграммы, которую можно использовать для анализа производительности системы. Глазковая диаграмма показывает значение максимальной добротности, минимального BER, высоты глаза и порога принятого сигнала в ONU.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЯ

Производительность системы BPON с 2 пользователями анализируется с использованием таких параметров, как Q-фактор и частота ошибок по битам (BER). На рис. 4 показаны глазковые диаграммы пользователей однонаправленной системы BPON для расстояния 70 км.

Видно, что отверстие глаза лучше указывает на то, что принятый сигнал менее искажен. По мере увеличения длины волокна отверстие проушины становится меньше, и выходной сигнал сильно искажается.

Качество и частота ошибок по битам выходного сигнала, принимаемого пользователями, зависит от расстояния. На рис. 5 (a) и (b) показана взаимосвязь между коэффициентом качества (Q-фактор) и логом (BER) с расстоянием для однонаправленного BPON с 2 пользователями. Q-фактор и значение BER взяты для расстояния от 50 до 100 км при входной мощности 0,2 дБм. Графики показывают, что с увеличением расстояния Q-фактор уменьшается, а log (BER) увеличивается.

Производительность двунаправленных систем BPON с 2 пользователями анализируется с использованием таких параметров, как Q-фактор и частота ошибок по битам (BER). На рис. 6 показаны глазковые диаграммы двух пользователей в двунаправленных системах BPON на расстоянии 70 км в нисходящем направлении.

Видно, что для BPON с 2 пользователями открытие глаза лучше указывает на то, что принятый сигнал менее искажен. Кроме того, по мере увеличения длины волокна закрытие глаза будет выше.

Качество и частота ошибок по битам выходного сигнала, принимаемого пользователями, зависит от расстояния. На рис. 7 (a) и (b) показана взаимосвязь между Q-фактором и логом (BER) с расстоянием для двунаправленного BPON с 2 пользователями в нисходящем направлении. Q-фактор и значение BER взяты для расстояния от 50 до 100 км при входной мощности 0,2 дБм. Графики показывают, что с увеличением расстояния Q-фактор уменьшается, а log (BER) увеличивается.

Производительность двунаправленной системы BPON для восходящего направления анализируется с использованием таких параметров, как Q-фактор и частота ошибок по битам (BER). На рис. 8 показаны глазковые диаграммы двух пользователей в двунаправленных системах BPON на расстоянии 70 км в восходящем направлении.

Можно видеть, что открытие глазка лучше указывает на то, что принятый в восходящем направлении сигнал менее искажен. Кроме того, по мере увеличения длины волокна закрытие глаза будет выше.

На рис. 9 (a) и (b) показано соотношение между Q-фактором и логарифмом (BER) с расстоянием для двунаправленного BPON в восходящем направлении. Q-фактор и значение BER взяты для расстояния от 50 до 100 км при входной мощности 0,2 дБм. Графики показывают, что с увеличением расстояния Q-фактор уменьшается, а log (BER) увеличивается.

ВЫВОД

Пассивные оптические сети (PON) играют важную роль в развитии сетей Fiber to the Home (FTTH). PON считается одной из наиболее успешных архитектур доступа, которая может обеспечить высокую пропускную способность и большую дальность действия. По результатам анализа, производительность однонаправленной пользовательской системы BPON 2 лучше с высоким коэффициентом добротности и низким BER по сравнению с двунаправленной системой BPON. BPON имеет более низкую скорость передачи данных, поэтому вероятность ошибки ниже, а принятый сигнал имеет высокий коэффициент добротности. Обнаружено, что с увеличением длины волокна добротность уменьшается, а BER увеличивается.

Список использованной литературы

1. Nahla Abdulrahman Hussain, “A survey/Development of Passive Optical Access Networks Technologies”, International Journal of Advanced Research, Vol.2, Issue 2, pp.820-828, 2014.
2. Dheeraj Singh Dohare, Saurbh Dubey, Ranjeet Singh and Saurabh Kumar, “Simulation and Performance Evaluation of BPON System”, International Journal of Engineering and Technical Research, Special Issue, pp.294-296, 2014.
3. Chinky Rani, Kulwinder Singh and Bhawna Utreja, “Performance Analysis of Bi- Directional Broadband Passive Optical Network using Travelling Wave Semiconductor Optical Amplifier”, International Journal of Engineering Research and Applications (IJERA), Vol.3, Issue 4, pp. 114-118, 2013.
4. N. Ansari and J. Zhang, “Media Access Control and Resource Allocation: For Next Generation Passive Optical Networks”, Springer Briefs in Applied Sciences and Technology, pp.11-22, 2013.
5. Ruchi Malhotra and Dr. Manindar Pal, “Performance Analysis in Passive Optical Networks (PONS)”, International Journal of Advanced Research in Computer and Communication Engineering, Vol.1, Issue 4, pp.263-267, 2012.
6. G.Keiser, “Optical Fiber Communications”, McGraw-Hill Education, Fourth Edition, 2010.
7. Alex Vukovic, Khaled Maamoun, Heng Hua and Michel Savoie, “Performance Characterization of PON Technologies”, Proc.SPIE, Vol.6796, 2007.
8. Gerd Keiser, “FTTX Concepts and Applications”, John Wiley & Sons Inc, 2006.
9. Rajiv Ramaswami, Kumar N. Sivarajan and Galen H. Sasaki, “Optical Networks: A Practical Perspective”, Morgan Kaufmann Publishers, Third Edition.