Українська   English
ДонНТУ   Портал магистров

Повышение надежности волоконно-оптических систем передачи со спектральным разделением

Содержание

Введение

В настоящее время рынок телекоммуникационных услуг является одним из наиболее гармонично и активно развивающихся секторов экономии России. Строительство корпоративных сетей связи коммерческих и государственных структур, повсеместное проникновение Интернет, увеличение числа пользователей сотовых сетей связи, внедрение и расширение сетей хранения данных, либерализация рынка услуг дальней связи – все это требует наличия надежных и высокоскоростных магистральных каналов связи.

1. Актуальность темы

В настоящий момент наибольшее применение на магистральных сетях связи нашли системы плотного спектрального уплотнения (DWDM, Dense WDM). Для стандартизации набора оптических несущих систем DWDM с разносом 50 ГГц (около 0,4 нм) и 100 ГГц (около 0,8 нм) международный союз электросвязи (МСЭ) в октябре 1998 года выпустил рекомендацию ITU-Т G.692. В ней предусмотрено разделение всей рабочей области оптического волокна на L, С и S диапазоны. В С диапазоне при шаге 0,4 нм можно разместить до 100 каналов, что, полагая скорость передачи в пределах 2,5 – 10 Гбит/с, дает информационную емкость одного волокна 250 – 1000 Гбит/с. На Европейской конференции по оптической связи (ЕСОС), проходившей в Каннах в сентябре 2006 года, сообщалось, что японской корпорации NTT удалось достичь суммарной скорости передачи информации по одному волокну порядка 14 Тбит/с на расстояние 160 км. Для этого было использовано 140 оптических каналов по 111 Гбит/с. Осуществляя передачу трафика на таких высоких скоростях современные магистральные сети становятся уязвимыми даже перед минимальными и кратковременными перерывами связи. Именно поэтому существует потребность в своевременной разработке и внедрении мер по повышению надежности WDM сетей связи. Наличие дополнительной степени свободы – оптической длины волны в сетях WDM (в отличие от сетей, использующих одну длину волны) предоставляет возможность обеспечения высокой надежности за счет организации восстановления и резервирования на оптическом уровне. Использование отдельных оптических каналов/оптических длин волн позволяет обеспечить высокую скорость переключения и повышает эффективность работы системы резервирования. Благодаря этому появляется возможность реализовать в сетях связи значительно более эффективные схемы организации резервирования и восстановления. Создание системы резервирования и восстановления магистральной сети неизбежно связано с дополнительными затратами. Наибольшая часть затрат приходится на систему сетевого резервирования, поскольку именно сетевой резерв имеет наибольшую стоимость по сравнению с другими элементами системы резервирования и используется только в случае повреждений на сети. Поэтому необходимо организовать такую систему резервирования, которая позволит обеспечить высокую надежность сети связи с сохранением приемлемого уровня финансовых вложений. Все вышеизложенное подтверждает актуальность рассмотрения вопросов повышения надежности WDM сетей связи и разработки схем и методов их резервирования.

2. Анализ волоконно-оптических систем передачи со спектральным разделением.

В настоящее время на многих ВОЛС общего пользования используются скорости передачи до 622 Мбит/с, но все большее применение получают ВОСП на скорости передачи 2,5 Гбит/с и выше. По таким ВОЛС можно организовать от 7680 до 100 000 каналов тональной частоты (КТЧ) или основных цифровых каналов (ОЦК) с пропускной способностью 64 кбит/с. В настоящее время разработаны ВОСП на скорости до 40 Гбит/с. Эти возможности не являются предельными: спектральное уплотнение (СУ) и когерентный прием позволят на несколько порядков увеличить суммарную скорость передачи информации по ВОЛС. Если обратиться к третьему окну прозрачности ОВ шириной 140 мкм на длине волны 1,55 мкм, то в нем можно разместить до 630 спектральных каналов (СК) при разносе частот между ними 24 ГГц и скорости передачи 2,4 Гбит/с в каждом. Это соответствует примерно суммарной скорости 1,5 Тбит/с или 23 млн КТЧ или ОЦК. Для описания параметров оптических кабелей и компонент ВОСП используется как частота, так и длина волны оптического излучения. Поэтому полезно знать соотношения между этими переменными, что особенно важно при описании полос пропускания в терминах отклонений длины волны или частоты.

3. Классификация волоконно-оптических систем связи

Существует разнообразная классификация ВОСП, но в основном применяется следующая.

3.1 ВОСП в зависимости от применяемого каналообразующего оборудования

1. аналоговые волоконно-оптические системы передачи (АВОСП), если каналообразующее оборудование строится на основе аналоговых методов модуляции параметров гармонической несущей частоты (амплитудная, частотная, фазовая модуляции и их комбинации) или параметров периодической последовательности импульсов (амплитудно-импульсная, широтно-импульсная, фазоимпульсная модуляции и их комбинации);

2. цифровые волоконно-оптические системы передачи (ЦВОСП), если каналообразующее оборудование строится на основе импульсно-кодовой модуляции, дельта-модуляции и их разновидностей; самое широкое применение находят ЦВОСП.

3.2 ВОСП в зависимости от способа модуляции оптического излучения

1. волоконно-оптические системы передачи с модуляцией интенсивности оптического излучения и соответствующей его демодуляции, называемые иногда прямой модуляцией и широко применяемой в большинстве ЦВОСП;

2. волоконно-оптические системы передачи с аналоговыми методами модуляции оптического излучения (оптической несущей): амплитудной, фазовой, частотной модуляциями и их комбинациями.

3.3 ВОСП в зависимости от способа приема или демодуляции оптического сигнала

1. волоконно-оптические системы передачи с прямой демодуляцией или непосредственным приемом, при котором происходит непосредственное преобразование интенсивности оптического излучения в электрический сигнал, напряжение или ток которого однозначно отражают изменение интенсивности оптического сигнала;

2. когерентные волоконно-оптические системы передачи, в которых применяется гетеродинное или гомодинное преобразование частоты независимо от вида модуляции (синхронная или несинхронная) оптического излучения, осуществляемое на промежуточной частоте. При гетеродинном приеме одновременно с оптическим сигналом частоты на фотодетектор подается достаточно мощное оптическое излучение местного гетеродина с частотой , на выходе фотодетектора выделяется промежуточная частота , на которой и осуществляются дальнейшие преобразования оптического сигнала в электрический. При гомодинном методе приема частоты колебаний принимаемого оптического излучения и местного гетеродина должны быть одинаковыми, а фазы синхронизированы.

4. Обобщенная структурная схема волоконно-оптической системы передач

В состав волоконно-оптической системы передачи (ВОСП) входят следующие технические средства:

1. Каналообразующее оборудование (КОО) тракта передачи, обеспечивающее формирование определенного числа типовых каналов или типовых групповых трактов со стандартной шириной полосы пропускания или скоростью передачи.

2. Оборудование сопряжения (ОС) тракта, необходимое для сопряжения параметров многоканального сигнала на выходе КОО с параметрами оптического передатчика.

3. Оптический передатчик (ОПер), обеспечивающий преобразование электрического сигнала в оптический сигнал, длина волны которого совпадает с одним из окон прозрачности оптического волокна; в состав ОПер входят: источник оптического излучения (ИОИ) оптической несущей, один или несколько параметров которой модулируются электрическим многоканальным сигналом, поступающим с ОС, и согласующее устройство (СУ), необходимое для ввода оптического излучения в волокно оптического кабеля с минимально возможными потерями; как правило, источник оптического излучения и согласующее устройство образуют единый блок, называемый передающим оптическим модулем (ПОМ).

4.Оптический кабель, волокна которого служат средой распространения оптического излучения.

5.Оптический ретранслятор (ОР), обеспечивающий компенсацию затухания сигнала при его прохождении по оптическому волокну (ОВ) и коррекцию различного вида искажений; (ОР) могут быть обслуживаемыми или необслуживаемыми и устанавливаются через определенные расстояния, называемые ретрансляционными участками; в ОР может производиться обработка (усиление, коррекция, регенерация и т.д.) как электрического сигнала, который получается путем преобразования оптического сигнала и последующего преобразования скорректированного электрического сигнала в оптический, так и оптического сигнала с помощью оптических квантовых усилителей.

6. Оптический приемник (ОПр), обеспечивающий прием оптического излучения и преобразования его в электрический сигнал; ОПр включает в себя согласующее устройство (СУ), необходимое для вывода оптического излучения из ОВ с минимальными потерями, и приемник оптического излучения (ПОИ); совокупность согласующего устройства и приемника оптического излучения представляет приемный оптический модуль (ПРОМ).

7.Оборудование сопряжения (ОС) тракта приема, преобразующее сигнал на выходе ПРОМ в многоканальный сигнал соответствующего КОО.

8.Каналообразующее оборудование (КОО) тракта приема, осуществляющее обратные преобразования многоканального сигнала в сигналы отдельных типовых каналов и трактов.

Рисунок 1 – Обобщенная структурная схема волоконно-оптической системы передач

Рисунок 1 – Обобщенная структурная схема волоконно-оптической системы передач (анимация: 12 кадров, бесконечное повторение циклов, 83 килобайта)

Рисунок 1 – Обобщенная структурная схема волоконно-оптической системы передач

Рисунок 2 – Принцип передачи сигналов в WDM

Рисунок 1 – Обобщенная структурная схема волоконно-оптической системы передач

Рисунок 3 – Мультиплексирование – демультиплексирование сигналов в WDM

ВОСП со спектральным уплотнением или мультиплексированием с разделением длин волн (wavelength division multiplexing, WDM) предполагает, что по одному ОВ одновременно передается несколько спектрально разнесенных оптических несущих, каждая из которых модулируется многоканальным сигналом, сформированным соответствующим каналообразующим оборудованием. Возможность построения таких систем основывается на сравнительно слабой зависимости коэффициента затухания ОВ в пределах соответствующего окна прозрачности от частоты (или длины волны) оптической несущей. Поэтому, применяя метод частотного разделения, по одному ОВ можно организовать несколько широкополосных оптических каналов, увеличив тем самым результирующую скорость передачи информации.

ВОСП с частотным или гетеродинным уплотнением. В системах передачи с частотным мультиплексированием исходным многоканальным сигналам различных источников в линейных трактах отводятся определенные полосы частот. В этом случае для получения группового линейного оптического сигнала требуются близко расположенные стабильные оптические несущие. Однако нестабильность частоты оптического излучения, особенно при высокоскоростной модуляции, приводит к тому, что расстояние по спектру между рабочими длинами волн соседних каналов во много раз превышает полосу информационного сигнала. Поэтому для получения близко расположенных спектральных каналов в ВОСП используются различные несущие не от разных источников, а от одного, но достаточно стабильного, с помощью соответствующего сдвига оптической несущей. Уплотнение с таким принципом формирования оптических несущих, называется частотным (гетеродинным) уплотнением.

ВОСП с временным уплотнением предполагают, что несколько информационных или компонентных потоков объединяются в один, и для передачи каждого компонентного потока по одному ОВ отводится свой временной интервал. Объединение может быть осуществлено на уровне электрическихА сигналов и на уровне оптических сигналов.

Выводы

Возможность построения таких систем основана на относительно слабой зависимости коэффициента затухания в соответствующем окне прозрачности от частоты (или длины волны) оптической несущей. Поэтому, используя метод частотного разделения, на одном ОВ можно организовать несколько широкополосных оптических каналов, тем самым увеличивая результирующую скорость передачи информации.

Список источников

  1. Установлен новый рекорд скорости передачи данных в оптических сетях // C-news. 23.10.2006.
  2. O.E. Наний. Оптические передатчики с перестраиваемой длиной волны излучения для DWDM-сетей связи, ч.1 // Lightwave Russian Edition, 2006, №1.
  3. Романчева, Н.И. Базовые Интернет-технологии учебное пособие / Н.И. Романчева. – М.: МГТУГА, 2008. – 96 с.
  4. E.M. Дианов, А.А.Кузнецов. Спектральное уплотнение каналов в волоконно-оптических линиях связи // Квантовая электроника. 1983, № 10.
  5. Р. Фриман. Волоконно-оптические системы связи. М.: Техносфера, 2003.
  6. Тенденции развития волоконно-оптической связи: от высокой емкости к гибкости оптических сетей. // LightWave Russian Edition. 2003, №1.
  7. Ж.И. Алферов, М.И. Беловолок, А.Н. Гурьянов, и др. Многоканальная дуплексная волоконно-оптическая линия связи на длине волны 1,3 мкм // Квантовая электроника, 1982, №9.
  8. М.И. Беловолок, А.Т. Гореленок, Е.М. Дианов, и др. Макет волоконно-оптической линии связи со спектральным уплотнением в области 1,3 мкм // Квантовая электроника.1979, №6. – Режим доступа: [http://www.mathnet.ru..].