Проектирование магистральной волоконно-оптической системы передачи повышенной пропускной способности

Размещено на http://www.allbest.ru/

Аннотация

Дипломный проект посвящен вопросу проектирования магистральной волоконно-оптической системы передачи с повышенной пропускной способностью.

Разработана методика проектирования магистральных ВОСП, на ее основе произведен расчет магистрали Екатеринбург - Хабаровск. Проведены выбор и обоснование аппаратуры, экспериментально исследованы основные параметры проектируемой системы передачи.

Содержание

Введение

1. Технико-экономическое обоснование

1.1 Обзор методов повышения пропускной способности магистральной ВОСП

1.1.1 Анализ путей решения поставленной задачи

1.1.2 Методы повышения пропускной способности магистральной ВОСП

1.2 Краткая характеристика метода WDM

1.2.1 Принцип спектрального уплотнения (WDM)

1.2.2 Классификации систем со спектральным уплотнением

1.3 Технологии передачи информации в ОЛС

1.3.1 Обзор современных цифровых технологий передачи информации в глобальных сетях связи

1.3.2 Краткое описание выбранной технологии (SDH)

2. Расчет параметров ОЛТ ВОСП с WDM

2.1 Структура оптического линейного тракта ВОСП с WDM

2.2 Расчет параметров КЭМ передачи и приема

2.2.1 Выбор типа источника излучения и фотоприемника, их параметры

2.2.2 Расчет параметров КЭМ передачи и приема

2.3 Оценка параметров оптического волокна

2.3.1 Выбор рабочей длины волны

2.3.2 Расчет пропускной способности ОВ

2.3.3 Выбор метода модуляции оптической несущей

2.3.4 Расчет параметров передачи оптических волокон

2.3.5 Расчет параметров ЭКУ ВОЛП

3. Техническая часть

3.1 Разработка структурной схемы ВОСП со спектральным уплотнением

3.2 Разработка функциональной схемы

3.2.1 Разработка функциональной схемы опорного пункта (ОП)

3.2.2 Разработка аппаратуры ОЛТ

3.2.3 Разработка аппаратуры выделения и транзита цифровых потоков

3.3 Выбор оборудования магистральной ВОСП

3.3.1 Выбор оборудования WDM

3.3.2 Результаты сравнения систем передачи

4. Экспериментальная часть - измерение параметров ПОМ

4.1 Исследование зависимости мощности оптического передатчика от температуры

4.2 Исследование влияния затухания ВОЛС на скорость передаваемой информации при различной температуре окружающей среды

4.3 Глазковые диаграммы

5. Конструктивно-технологическая часть

5.1 Выбор и обоснование конструкции эрбиевого усилителя

5.2 Процесс изготовления и сборки прибора EDFA

6. Экономическая часть

6.1 Составление плана-графика разработки (календарный план)

6.2 Составление смет затрат на разработку

6.2.1 Материальные затраты

6.2.2 Затраты на оплату труда

6.2.3 Отчисления на социальные нужды

6.2.4 Амортизация основных фондов

6.3 Расчет цены НИР

6.4 Выводы по эффективности предложений

7. Безопасность и экологичность проекта

7.1 Вопросы обеспечения безопасности труда и защиты окружающей среды

7.2 Пожарная безопасность

7.3 Экологичность проекта

Заключение

Библиографический список

Приложение

Введение

В настоящее время системы связи стали одной из основ развития общества. Рост потребностей в передаче информации привлек к тому что в конце 1990-х годов объемы передачи информации по международным сетям связи многократно возросли за счет такого феномена, как Интернет. Последовавший рост пропускной способности каналов связи намного превысил самые смелые прогнозы (рис. 1.1).

Рис. 1.1

Это предъявляет новые требования к современным сетям связи, их пропускной способности. Общепризнанно, что удовлетворить потребности человеческого общества в передаче информации можно только на основе волоконно-оптических систем связи (ВОЛС).

К основным преимуществам ВОЛС относятся: высокая помехоустойчивость; слабая зависимость качества передачи от длины линии; стабильность параметров каналов ВОСП; возможность построения цифровой сети связи; и самое главное - высокие технико-экономические показатели.

Многоканальные волоконно-оптические системы передач (ВОСП) широко используются на магистральных и зоновых сетях связи страны, а также для устройства соединительных линий между городскими АТС. Объясняется это тем, что по ОВ обладает очень широкой полосой пропускания. Особенно эффективны и экономичны подводные солитонные оптические магистрали. Исходя из вышесказанного, можно сформулировать цель выпускной работы, которая заключается в проектировании магистральной ВОСП повышенной пропускной способности. Для достижения поставленной цели требуется решение следующих задач:

· найти наиболее эффективный метод увеличения пропускной способности;

· подобрать телекоммуникационную технологию, в рамках которой будет работать магистральная система передачи;

· выбрать и рассчитать параметры элементов ОЛТ;

· разработать структурную и функциональную схемы системы передачи, приемника, передатчика и используемого ретранслятора;

· экспериментально оценить основные параметры созданной линии;

Решение отмеченных выше задач позволяет достичь поставленной цели, а именно, - разработки методики проектирования магистральной ВОСП повышенной пропускной способности. Актуальность темы выпускной работы может быть обоснована следующими фактами. Во-первых, результаты работы могут быть использованы в учебном процессе при изучении дисциплины "Волоконно-оптические системы передачи" студентами связных специальностей. Во-вторых, материалы, опубликованные в учебниках носят разрозненный характер, и его систематизация и унификация является актуальной задачей. В-третьих, как известно, предполагается развитие NGN (next generation networks) сетей. В их основе лежат пакетные технологии, они могут опираться непосредственно на слой прозрачных оптических каналов. С помощью технологии спектрального уплотнения это легко реализуемо. Таким образом, тема дипломного проекта, заключающаяся в разработке методики проектирования магистральной ВОСП повышенной пропускной способности, является актуальной.

1. Технико-экономическое обоснование

Поставленная в рамках диплома задача проектирования магистральной волоконно-оптической системы передачи информации с повышенной пропускной способностью связана прежде всего с бурным развитием волоконно-оптических технологий сегодня.

На сегодняшний день в России построены две крупнейшие магистральные SDH - сети (Ростелеком, ТрансТелеКом), которые охватывают большую часть территории России. Также построена DWDM сеть Ростелекома, позволившая значительно увеличить пропускную способность существующей SDH - сети.

Уровень загрузки российских магистральных сетей иногда или зачастую далек от проектного. В большинстве городов России оптических каналов немного, но даже их емкость используется далеко не полностью. А в Москве, наоборот, при большой загрузке линий пока очень много свободной оптики. Загрузка существующих SDH - сетей на некоторых участках близка к максимальной (на тот момент уровень 2,5 Гбит/с). Но загруженность тоже зависит только от конкретных операторов и направления. Рост мирового трафика передачи данных составляет около 30% в год. Сети SDH магистральных операторов заполнены на 60-90% и давно требуют расширения. Уже развернутые единичные DWDM-сети загружены на 2% от теоретически возможного.

Перспективы развития магистральных сетей в нашей стране сопряжены с решениями "последней мили" в различных сценариях. Тенденция развития магистральных сетей в нашей стране не отличается от мировой практики. Магистральные линии будут строиться на оборудовании DWDM, а для построения городских транспортных сетей использоваться мультисервисные SDH-платформы с поддержкой IP. Без магистрали нет и сети, поэтому перспективы очень значительные.

Обоснование реконструкции магистральной ВОЛС. На участке Екатеринбург - Хабаровск проложен волоконно-оптический кабель Fujikura OGNMLJFLAP-WAZE SM*10/125x8C тип 3, по которому осуществляется работа цифровой системы передачи (ЦСП) уровня STM-4, обеспечивающей передачу информации со скоростью 622,08 Мбит/с.

Используемая в настоящее время ЦСП не удовлетворяет растущим потребностям клиентов в пропускной способности волоконно-оптической линии связи. Так как объем передаваемой информации постоянно возрастает, необходимо максимально увеличить пропускную способность.

При выполнении дипломного проектирования поставлены следующие задачи:

1. изучить конструкцию и параметры магистральной ВОЛС Екатеринбург - Хабаровск;

2. оценить возможность увеличения пропускной способности существующей магистральной ВОЛС Екатеринбург - Хабаровск;

3. изучить возможные варианты реконструкции ВОЛС и выделить наиболее эффективный;

4. спроектировать магистральную ВОСП повышенной пропускной способности для участка Екатеринбург - Хабаровск ВСС РФ.

Проектирование магистральной ВОСП повышенной пропускной способности позволит достичь всех целей, о которых говорилось выше и поднять транспортную систему нашей страны на новый уровень в передачи трафика на большие расстояния. В дальнейшем можно будет как угодно расширять ее возможности, усовершенствовать и перейти на использование отечественных комплектующих, что, безусловно, является экономически выгодным.

1.1 Обзор методов повышения пропускной способности магистральной ВОСП

1.1.1 Анализ путей решения поставленной задачи

Постановка задачи следующая: необходимо в несколько раз повысить пропускную способность магистральной ВОЛС Екатеринбург - Хабаровск.

Рассмотрим подробнее, что собой представляет стандартная ВОСП. На рис. 1.2 изображена многоканальная ВОСП, состоящая из передающей стороны (Пер.), линейного оптического тракта (ЛОТ), оптических усилителей (ОУ) и приемной стороны (Пр.). Оптический линейный тракт может содержать усилители и регенераторы оптического сигнала.

Рис. 1.2 Структурная схема многоканальной ВОСП

Ресурс ОК по пропускной способности определяется произведением числа волокон на число оптических каналов и на предельную скорость в каждом канале при данной протяженности участка линии передачи:

C=N_ов*N_{опт.кан.}*V_пред, где:

· C - пропускная способность ВОСП;

· N_ов - количество ОВ в ОК, определяется конструкцией ОК, для максимального повышения пропускной способности данная величина должна быть большой;

· N_{опт.кан.} - количество оптических каналов - количество оптических несущих, передаваемых по технологии WDM, на момент рассмотрения N_{опт.кан}=32, в последствии уточним;

· V_пред - предельная скорость передачи по ОВ, определяется уровнем SDH, предполагается переход на максимальный уровень STM-256 (40 Гбит/с).

Есть важная особенность, которую необходимо отметить, это то, что помимо учета предельной скорости передачи, и количества оптических каналов, передаваемых в ОВ, необходимо разобраться, сколько ОЦК (64 кбит/с) можно передать по этой ВОЛС, и как этим числом можно варьировать, при этом используя его для других приложений.

C помощью рассматриваемой ВОСП производится передача N_ИСХ каналов ОЦК. Необходимо добиться N_ППС каналов - количество каналов при повышенной пропускной способности, то есть:

N_ППС =k*N_ИСХ.

Исходя из того, что уже спроектированы и введены в эксплуатацию ВОСП, у которых коэффициент k (k - коэффициент увеличения пропускной способности, соответственно увеличения числа каналов), принимает следующие значения: k=2,4,8,16,32…n, отсюда следует вывод, что k лежит примерно в следующем интервале: 1<k<64. Так как стоит цель резкого повышения пропускной способности, как ясно из темы дипломного проекта, то k должен лежать в интервале k>100. При этом возникает вопрос, какого порядка k необходимо задать, и какого порядка коэффициент k реально может получиться, к примеру: 10, 50, 100, 150 или 200.

Казалось бы все просто, но на самом деле это не так, вопрос повышения пропускной способности требует основательного рассмотрения, так как передаваемые объемы информации неукоснительно возросли и продолжают расти, что влечет за собой рост коэффициента k.

На сегодняшний день на главных магистралях страны стоят ВОЛС, использующие стандартное оптическое волокно (G.652). На них установлены системы с временным уплотнением каналов (системы TDM - Time Division Multiplexing с полосой пропускания до 2,5 Гбит/с). Увеличить пропускную способность таких систем можно путем разработки и применения новых сверхбыстрых электронных систем модуляции, коммутации и приема лазерного излучения, что естественно приведет к замене оконечного оборудования. Такие нововведения требуют больших материальных затрат для организаций занимающихся эксплуатацией и переоборудованием такого рода линий связи. Но для повышения пропускной способности одной лишь замены оконечного оборудования недостаточно, потребуется еще и доустановка необслуживаемых ретрансляционных пунктов (НРП) и врезка всевозможных компенсаторов, а тем более замена кабеля, что в свою очередь довольно неэкономично.

Рассмотрим существующие методы повышения пропускной способности магистральных ВОСП.

1.1.2 Методы повышения пропускной способности магистральной ВОСП

Метод временного мультиплексирования (TDM)

Суть TDM: процесс передачи разбивается на ряд временных циклов, каждый из которых в свою очередь разбивается на N субциклов, где N - число уплотняемых каналов. Каждый субцикл подразделяется на временные позиции (тайм - слоты), в течение которых передается часть информации одного из цифровых мультиплексируемых потоков. Кроме того, некоторое число позиций отводится для идентификационных синхроимпульсов, вставок и цифрового потока служебной связи. При временном мультиплексировании каждому из информационных каналов системы, имеющих общую оптическую несущую (один источник излучения), отводится определенный интервал времени или временное окно, для передачи информации. В первый интервал времени оптическая несущая модулируется сигналом одного информационного канала, во второй - другого и т.д. Длительность этих интервалов определяется различными факторами, главные - это скорость преобразования электрических сигналов в оптические и скорость передачи информации в линии связи.

На передающей части стоит временной мультиплексор, он устанавливает очередность и временной интервал передачи информации на входе линии. На другом конце линии устанавливается демультиплексор, определяющий номер канала, идентифицируя его (рис. 1.3).

Метод TDM подразделяется на два вида - асинхронное (плезиохронное) и синхронное временное мультиплексирование. Соответственно, плезиохронная цифровая иерархия PDH и синхронная SDH, которые представлены в рекомендациях МСЭ-Т.

Рис. 1.3 Схема передачи оптических сигналов по ВОЛС с временным мультиплексированием TDM

Структура первичной сети ВСС РФ предопределяет объединение и разделение потоков передаваемой информации, поэтому используемые на ней системы передачи строятся по иерархическому принципу. Применительно к ЦСП этот принцип заключается в том, что число каналов ЦСП, соответствующее данной ступени иерархии, больше числа каналов ЦСП предыдущей ступени в целое число раз. Первая ступень иерархии - первичная - осуществляется прямое преобразование относительно небольшого числа первичных сигналов в первичный цифровой поток (ОЦК). ЦСП второй ступени объединяют определенное число ОЦК во вторичный цифровой поток и т.д.



Рис. 1.4 Иерархии цифровых систем передач

Метод спектрального уплотнения (WDM)

Метод WDM позволяет увеличить скорости передачи информации в ВОЛС за счет одновременной передачи по одному волокну нескольких TDM каналов на различных длинах волн. В системах WDM к оконечному электронному оборудованию предъявляются такие же требования, как и в системах TDM, для остального оборудования пропускная способность ограничивается лишь самими каналами. Полная пропускная способность линии связи не ограничена пропускной способностью используемых электронных компонентов. При необходимости необходимая пропускная способность достигается путем добавления/удаления оптических несущих. Каждый канал электросвязи, образуемый ЦСП, обрабатывается в системе WDM как отдельный канал на отдельной длине волны.

Суть этого метода состоит в том, что k информационных цифровых потоков, (их количество может быть 2, 4, 8, 32..i..k), переносимых каждый на своей оптической несущей на длине волны л_m и разнесенных в пространстве, с помощью специальных устройств - оптических мультиплексоров (ОМ) - объединяются в один оптический поток л₁..л_m, после чего он вводится в оптическое волокно. На приемной стороне производится обратная операция демультиплексирования (рис. 1.5).



Рис. 1.5 Структурная схема ВОСП со спектральным мультиплексированием WDM с устройством ввода/вывода OADM (а - Мультиплексоры с устройством ввода/вывода, b - Оптические усилители, c - Оптические переключатели)

Здесь k входных потоков данных (кодированных цифровых импульсных последовательностей) модулируют с помощью оптических модуляторов Mi оптические несущие с длинами волн лi. Модулированные несущие объединяются с помощью мультиплексора Mux в агрегатный поток, который после усиления (с помощью бустера или мощного усилителя - МУ) подается в ОВ. На приемном конце поток с выхода ОВ усиливается предварительным усилителем - ПУ, демультиплексируется, т.е. разделяется на составляющие потоки - модулированные несущие li, которые детектируются с помощью детекторов Дi (на входе которых могут дополнительно использоваться полосовые фильтры Фi для уменьшения переходных помех и увеличения тем самым помехоустойчивости детектирования), и, наконец, демодулируются демодуляторами ДMi, формирующими на выходе исходные кодированные цифровые импульсные последовательности. Кроме МУ и ПУ в системе могут быть использованы и линейные усилители (ЛУ).

Метод частотного уплотнения (FDM)

При частотном методе мультиплексирования FDM (FDM - Frequency Division Multiplexing) каждый информационный поток передается по физическому каналу на соответствующей частоте - поднесущей ѓпн. Если в качестве физического канала выступает оптическое излучение - оптическая несущая, то она модулируется по интенсивности групповым информационным сигналом, спектр которого состоит из ряда частот поднесущих, количество которых равно числу компонентных информационных потоков. Частота поднесущей каждого канала выбирается исходя из условия ѓпн ? 10ѓвчп, где ѓпн - частота поднесущей, ѓвчп - верхняя частота спектра информационного потока. Частотный интервал между поднесущими Дѓпн выбирается из условия Дѓпн ? ѓвчп. На приемной стороне оптическая несущая попадает на фотодетектор, на нагрузке которого выделяется электрический групповой поток, поступающий после усиления в широкополосном усилителе приема на входы узкополосных фильтров, центральная частота пропускания которых равна одной из поднесущих частот.

Уплотнение по поляризации (PDM)

Уплотнение потоков информации с помощью оптических несущих, имеющих линейную поляризацию, называется уплотнением по поляризации (PDM - Polarization Division Multiplexing). При этом плоскость поляризации каждой несущей должна быть расположена под своим углом. Мультиплексирование осуществляется с помощью специальных оптических призм, например, призмы Рошона. Поляризационное мультиплексирование возможно только тогда, когда в среде передачи отсутствует оптическая анизотропия, т.е. волокно не должно иметь локальных неоднородностей и изгибов. Это одна из причин весьма ограниченного применения данного метода уплотнения. В частности, он применяется в оптических изоляторах, а также в оптических волоконных усилителях, которые используются в устройствах накачки эрбиевого волокна для сложения излучения накачки двух лазеров, излучение которых имеет выраженную поляризацию в виде вытянутого эллипса.

Сравнение технологий передачи информации

Целью сравнения является исследование целесообразности применения методов волнового (WDM) и временного уплотнения (TDM) для увеличения пропускной способности ВОСП.

Сравнивать такие методы как метод частотного уплотнения (FDM) и уплотнение по поляризации (PDM), нет необходимости в связи с тем что они не нашли применения для магистральных систем передачи.

WDM и TDM предусматривают объединение нескольких входных низкоскоростных каналов в один составной высокоскоростной канал. Но TDM технология работает на одной длине волны, а WDM - на нескольких.

В связи с этим обстоятельством, для наращивания количества каналов по технологии TDM необходимо увеличивать скорость передачи по принципу STM-1 в STM-N или STM-N в STM-4*N (иерархия SDH), а по технологии WDM - путем добавления новых оптических несущих л_m а также путем уменьшения расстояния между несущими.

Рассмотрим, как с помощью этих технологий можно решить задачу увеличения пропускной способности в 4 раза:

· TDM: переход на следующую ступень иерархии ЦСП по формуле 30*4*4*4*4, позволяет увеличить пропускную способность с каждой ступенью в 4 раза. При высокой скорости значительное влияние на качество передачи оказывают такие характеристики ОВ, как поляризационная модовая дисперсия и хроматическая дисперсия. Возрастание сложности оконечного оборудования и повышение стоимости преокта.

· WDM: берутся k потоков TDM, модулируются по отдельности в оптические сигналы разной длины волны, объединяются с помощью оптического мультиплексора. Результат: пропускная способность ВОСП увеличилась в k раз. Стоит отметить существенный положительный момент - отсутствие тех ограничений по дисперсии и другим показателям, которые были присущи при использовании технологии TDM.

Технология WDM может использоваться параллельно с технологией TDM для повышения ее эффективности, оставляя практически без изменений большую часть имеющегося оборудования.

Сравнительные характеристики двух методов уплотнения представлены в Таблицах 1.1, 1,2 из которых видно, что метод спектрального уплотнения является наиболее экономически выгодным по сравнению с временным методом уплотнения.

Таблица 1.1 Технические характеристики

Параметры	Временное мультиплексирование	Спектральное мультиплексирование
Надежность	Высокая	Высокая
Пропускная способность	Высокая	Очень высокая
Коммутационные устройства	Сложные	Сложные
Загруженность ОВ	Средняя	Высокая
Объем аппаратуры	Большой	Средний

Таблица 1.2 Экономические характеристики

Параметры	Временное мультиплексирование	Спектральное мультиплексирование
Стоимость оконечных пунктов	Практически одинаковы
Стоимость линейного тракта	Средняя	Средняя
Стоимость канала	Низкая	Низкая
Стоимость передачи информации	Низкая	Низкая

Стоимость аппаратурной части системы WDM соизмерима со стоимостью аппаратуры TDM. В этом случае построение разветвленной сети более эффективно при использовании спектрального уплотнения. Выделение составляющих цифровых потоков в промежуточных пунктах при временном уплотнении требует наличия большого объема оборудования, тогда как при спектральном уплотнении достаточно нескольких пассивных элементов (мультиплексоров и демультиплексоров).

Обе технологии WDM и TDM применяются для увеличения информационной пропускной способности ВОСП. Хотя они не исключают, а скорее дополняют друг друга, можно сравнить такие их характеристики, как гибкость структуры линий связи, скорость передачи.

Гибкость структуры линий связи. Технология TDM дает возможность передачи по линии связи каналов, разнородных по типу передаваемых данных, а также позволяет передать по ОК множество каналов, по которым с различными скоростями передаются различные типы трафика, путем применения различных способов распределения тайм-слотов. Они могут быть постоянно закреплены за определенными приложениями или выделяться по требованию DAMA (Demand Assignment Multiple Access). Можно изменять продолжительность тайм-слотов или полностью их исключить. В последнем случае данные передаются в виде отдельных пакетов, каждый из которых включает адрес источника и отправителя (статистическое мультиплексирование). Несмотря на все эти возможности, технология TDM работает лучше всего, когда по всем логическим каналам передается один тип трафика, а все тайм-слоты имеют одинаковую продолжительность и постоянно закреплены за отдельными каналами. Этот вариант технологии TDM достаточно прост в реализации и управлении, и его эксплуатационные издержки также меньше.

В технологии WDM каналы полностью независимы, следовательно она дает большую гибкость, чем технология TDM.

Скорость передачи. В технологии TDM пропускная способность увеличивается за счет увеличения скорости передачи битов в линии связи. Скорость ограничивается лишь используемыми электронными компонентами. Получение данных, хранение, передача и т.д. - все это требует применение цифровых интегральных схем. Они должны работать со скоростью, равной или близкой к суммарной скорости передачи линии связи. Для каждого канала должно быть установлено оборудование, поддерживающее полную пропускную способность линии связи.

Оборудование WDM в канале может поддерживать только скорость передачи по этому каналу, а не полную скорость составного сигнала. Таким образом, полная пропускная способность линии связи не ограничена скоростью работы используемых электронных устройств. Самую быструю линию связи TDM, которую только можно создать с использованием наиболее современной техники, в системе WDM можно передавать как один из многих каналов. Даже после этого сравнения становится ясно, что технология WDM имеет неоспоримое преимущество перед остальными магистральными технологиями передачи информации.

Выводы. Укладка в линии связи новые ОК. Этот процесс сопряжен с необходимостью долгосрочного планирования, больших капиталовложений и не всегда возможен. При использовании нового ОК с улучшенными техническими характеристиками появляются перспективы увеличения количества оптических каналов, увеличения предельной скорости передачи, а также количества оптических волокон соответственно. Использование электроники с большим быстродействием (10 Гбит/с, 40 Гбит/с). При выборе аппаратуры придется стремиться использовать самые последние технологические достижения, предельная скорость передачи информации и количество передаваемой информации в несколько раз увеличится, цена и качество не влияют на выбор. Переход от электронных компонент к полностью оптическим. В отличие от электронных компонент, параметры большинства оптических компонент не зависят от скорости передачи данных и для них прирост цены с увеличением битовой скорости будет небольшим. Позволяет производить коммутацию на оптическом уровне без преобразования сигнала. Применение новых технологий уплотнения каналов, например, по длинам волн (WDM - wavelength division multiplexing). Для этого достаточно только заменить терминалы в линии с оптическими усилителями. Особенно привлекателен последний подход к увеличению пропускной способности магистральных сетей передачи данных, как наиболее перспективный, по сравнению с заменой ОК и переходом на следующую ступень иерархии ЦСП.

1.2 Краткая характеристика метода WDM

1.2.1 Принцип спектрального уплотнения (WDM)

Потенциальные ресурсы волокна. До настоящего времени на многих коммерческих линиях использовалась скорость передачи 622 Мбит/с, но необходим переход на более высокие скорости 2,5 Гбит/с и выше.

Таблица 1.3 Зависимость затухания от длины волны

,мкм	0.85	1.3	1.55
,дБ/км	2..3	0.7..1.0	0.2..0.3
,км	10..15	30..40	70..100

Если обратиться к третьему окну прозрачности (в нем самое минимальное затухание) шириной примерно 140 нм на длине волны 1,55 мкм, то в нем можно разместить до 630 спектральных каналов при разносе частот 24 ГГц и скорости передачи 2,5 Гбит/с в каждом.

Не принимая во внимание дисперсию, рассмотрим потенциальные возможности волокна. Длина волны и частота светового излучения связаны между собой формулой:

,

где c - скорость света (310⁸ м/с). Дифференцируя по , получаем:

,

а следовательно, окну вокруг ₀ соответствует окно , которое определяется по формуле:

.

Если 0 = 1300 нм и = 200 нм, то 35 ТГц, если же 0= 1550 нм и = 200 нм, то 25 ТГц.

Наиболее подходящим является окно 1550 нм, поскольку в этом окне достигается минимальное затухание сигнала до 0,2 дБ/км и достижение наибольшей длины ретрансляционного участка (таблица 1.3).

Несмотря на такие большие ресурсы волокна, реализовать передачу на скорости 25 Тбит/с в настоящее время невозможно, поскольку соответствующая частота модуляции пока недостижима. Однако есть другое очень эффективное решение, идея которого заключается в разделении всей полосы на каналы меньшей емкости. Каждый из таких каналов можно использовать под отдельное приложение. Эта технология известна как волновое уплотнение или волновое мультиплексирование - WDM.

Рассмотрим подробнее третье окно прозрачности 1550 нм.

Рис. 1.6 Третье окно прозрачности с размещенными в нем WDM каналами

Технология WDM позволяет увеличить пропускную способность ОВ за счет добавления новых длин волн (WDM - каналов), разместив их в 3 окне прозрачности. Единственное условие, которое необходимо выполнить - это исключение перекрытий между спектральными каналами. Интервал между соседними длинами волн должен быть больше ширины спектра излучения. Современные одномодовые лазеры с распределенным брегговским отражением - DBR лазеры - дают спектральную полосу меньше 0,1 нм. Так, при интервале 0,6 нм между соседними длинами волн в окне 1530-1560 нм, соответствующем рабочей области оптического усилителя EDFA, может разместиться около 40 длин волн - 40 каналов. Причем полоса пропускания на каждый канал достигает 10 Гбит/с и более. Технически реализованы оптические передатчики на основе временного мультиплексирования - TDM, способные вводить в волокно оптический TDM сигнал с частотой 100 ГГц в расчете на один канал, в результате чего полная емкость одного волокна составляет 4 Тбит/с (при 40 каналах волнового уплотнения). Но передать такой сигнал на большие расстояния не просто. Одним из главных факторов, препятствующих этому, является дисперсия.

Затухание, дисперсия, полоса пропускания ОВ. Волокно характеризуется двумя важнейшими параметрами: затуханием и дисперсией. Чем меньше затухание (потери) и чем меньше дисперсия распространяемого сигнала в волокне, тем больше может быть расстояние между регенерационными участками или повторителями.

На затухание света в волокне влияют такие факторы, как: потери на поглощении, потери на рассеянии, кабельные потери.

Потери на поглощении и на рассеянии вместе называют собственными потерями, в то время как кабельные потери в силу их природы называют также дополнительными потерями (рис. 1.7).

Рис. 1.7 Основные типы потерь в волокне

Полное затухание в волокне (измеряется в дБ/км) определяется в виде суммы:

 = _int + _rad = _abs + _sct + _rad

Потери на поглощении _abs состоят как из собственных потерь в кварцевом стекле (ультрафиолетовое и инфракрасное поглощение), так и из потерь, связанных с поглощением света на примесях. Примесные центры, в зависимости от типа примеси, поглощают свет на определенных (присущих данной примеси) длинах волн и рассеивают поглощенную световую энергию в воде джоулева тепла. Даже ничтожные концентрации примесей приводят к появлению пиков на кривой потерь (рис. 1.8). Следует отметить характерный максимум в районе длины волны 1480 нм, который соответствует примесям OH^-. Этот пик присутствует всегда. Область спектра в районе этого пика ввиду больших потерь практически не используется.

Собственные потери на поглощении растут и становятся значимыми в ультрафиолетовой и инфракрасной областях. При длине волны излучения выше 1,6 мкм обычное кварцевое стекло становится непрозрачным из-за роста потерь, связанных с инфракрасным поглощением, рис. 1.8.

Потери на рассеянии _sct. Уже к 1970 году изготавливаемое оптическое волокно становится настолько чистым (99,9999), что наличие примесей перестает быть главенствующим фактором затухания в волокне. На длине волны 800 нм затухание составило 1,5 дБ/км. Дальнейшему уменьшению затухания препятствует так называемое рэлеевское рассеяние света. Рэлеевское рассеяние вызвано наличием неоднородностей микроскопического масштаба в волокне. Свет, попадая на такие неоднородности, рассеивается в разных направлениях. В результате часть его теряется в оболочке. Эти неоднородности неизбежно появляются во время изготовления волокна.

Потери на рэлеевском рассеянии зависят от длины волны по закону ^-4 и сильней проявляются в области коротких длин волн (рис. 1.8).

Длина волны, на которой достигается нижний предел собственного затухания чистого кварцевого волокна, составляет 1550 нм и определяется разумным компромиссом между потерями вследствие рэлеевского рассеяния и инфракрасного поглощения.

Рис. 1.8 Факторы, влияющие на затухание в области длины волны 1500 нм

Внутренние потери хорошо интерполируются формулой:

= K_rel ^-4 + +_OH() + Ce-^k/,

где _OH() отражает пик поглощения на примесях OH с максимумом при 1480 нм, а первое и последнее слагаемые соответствуют рэлеевскому рассеянию и инфракрасному поглощению соответственно (K_rel = 0,8 мкм4дБ/км; C = 0,9 дБ/км; k = 0,7-0,9 мкм; данные приведены для кварца). На рис. 1.9 приводится общий вид спектральной зависимости собственных потерь с указанием характерных значений четырех основных параметров (минимумов затухания в трех окнах прозрачности 850, 1300 и 1550 нм, и пика поглощения на длине волны 1480 нм) для современных одномодовых и многомодовых волокон.



Рис. 1.9 Собственные потери в оптическом волокне

Кабельные (радиационные потери) _rad обусловлены скруткой, деформацией и изгибами волокон, возникающими при наложении покрытий и защитных оболочек, производства кабеля, а также в процессе инсталляции ВОК. При соблюдении ТУ на прокладку кабеля номинальный вклад со стороны радиационных потерь составляет не больше 20 от полного затухания. Дополнительные радиационные потери появляются, если радиус изгиба кабеля становится меньше минимального радиуса изгиба, указанного в спецификации на ВОК.

Дисперсия и полоса пропускания. По оптическому волокну передается не просто световая энергия, но также полезный информационный сигнал. Импульсы света, последовательность которых определяет информационный поток, в процессе распространения расплываются. При достаточно большом уширении импульсы начинают перекрываться (рис. 1.10), так что становится невозможным их выделение при приеме.

Рис. 1.10 Битовый код 101 на выходе из волокна, перекрытие импульсов

Дисперсия - уширение импульсов - имеет размерность времени и определяется как квадратичная разность длительностей импульсов на выходе и на входе кабеля длины L по формуле

.

Обычно дисперсия нормируется в расчете на 1 км, и измеряется в пс/км. Дисперсия в общем случае характеризуется тремя основными факторами, рассматриваемыми ниже:

ь различием скоростей распространения направляемых мод (межмодовой дисперсией _mod); направляющими свойствами световодной структуры (волноводной дисперсией _w);

ь свойствами материала оптического волокна (материальной дисперсией mat).

Рис 1.11 Виды дисперсии

Чем меньше значение дисперсии, тем больший поток информации можно передать по волокну. Результирующая дисперсия определяется из формулы:

Межмодовая дисперсия возникает вследствие различной скорости распространения у мод, и имеет место только в многомодовом волокне.

Хроматическая дисперсия состоит из материальной и волноводной составляющих и имеет место при распространении, как в одномодовом, так и в многомодовом волокне. Однако наиболее отчетливо она проявляется в одномодовом волокне из-за отсутствия межмодовой дисперсии.



Рис. 1.12 Зависимость дисперсии от длины волны (хроматическая дисперсия определяется как сумма материальной и волноводной дисперсий)

Хроматическая дисперсия системы передачи чувствительна к: увеличению длины и числа участков линии связи, а также увеличению скорости передачи (т.к. увеличивается эффективная ширина линии генерации источника). На нее в меньшей степени влияют уменьшение частотного интервала между каналами и увеличение числа каналов. А уменьшается хроматическая дисперсия при уменьшении абсолютного значения хроматической дисперсии волокна; компенсации дисперсии.

Материальная дисперсия обусловлена зависимостью показателя преломления волокна от длины волны. В выражение для дисперсии одномодового волокна входит дифференциальная зависимость показателя преломления от длины волны:

.

Волноводная дисперсия обусловлена зависимостью коэффициента распространения моды от длины волны:

,

где введены коэффициенты M() и N() - удельные материальная и волноводная дисперсии соответственно, а (нм) - уширение длины волны вследствие некогерентности источника излучения. Результирующее значение коэффициента удельной хроматической дисперсии определяется как

D()=M()+N().

Удельная дисперсия имеет размерность пс/(нмкм). Если коэффициент волноводной дисперсии всегда больше нуля, то коэффициент материальной дисперсии может быть как положительным, так и отрицательным. И здесь важным является то, что при определенной длине волны (примерно 1310 10 нм для ступенчатого одномодового волокна) происходит взаимная компенсация M() и N(), а результирующая дисперсия D() обращается в ноль. Длина волны, при которой это происходит, называется длиной волны нулевой дисперсии 0. Обычно указывается некоторый диапазон длин волн, в пределах которых может варьироваться 0 для данного конкретного волокна.

Для одномодового ступенчатого и многомодового градиентного волокна используется эмпирическая формула Селмейера:

.

Коэффициенты А, В, С являются подгоночными, и выбираются так, чтобы экспериментальные точки лучше ложились на кривую . Тогда удельная роматическая дисперсия вычисляется по формуле:

,

где - длина волны нулевой дисперсии.

Для волокна со смещенной дисперсией эмпирическая формула временных задержек записывается в виде ()=A+B+Cln. Коэффициенты A, B, C являются подгоночными, и выбираются так, чтобы экспериментальные точки лучше ложились на кривую (). Соответствующая удельная дисперсия определяется как

,

со значениями параметров ₀=e^-(1+B/C) и S₀=C/₀, где - рабочая длина волны, для которой определяется удельная хроматическая дисперсия, ₀ - длина волны нулевой дисперсии, и S₀ - наклон нулевой дисперсии.

Хроматическая дисперсия связана с удельной хроматической дисперсией простым соотношением

()=D(),

где - ширина спектра излучения источника. К уменьшению хроматической дисперсии ведет использование более когерентных источников излучения.

Поляризационная модовая дисперсия _pmd - возникает вследствие различной скорости распространения двух взаимно перпендикулярных поляризационных составляющих моды. Коэффициент удельной дисперсии T нормируется в расчете на 1 км и имеет размерность (пс/), а _pmd растет с ростом расстояния по закону

_pmd=T.

Из-за небольшой величины _pmd может проявляться исключительно в одномодовом волокне, причем, когда используется передача широкополосного сигнала (полоса пропускания 2,4 Гбит/с и выше) с очень узкой спектральной полосой излучения 0,1 нм и меньше. В этом случае хроматическая дисперсия становится сравнимой с поляризационной модовой дисперсией.

В одномодовом волокне в действительности может распространяться не одна мода, а две фундаментальные моды - две перпендикулярные поляризации исходного сигнала. В идеальном волокне, в котором отсутствуют неоднородности по геометрии, две моды распространялись бы с одной и той же скоростью (рис. 1.14 а). Однако на практике волокна имеют не идеальную геометрию, что приводит к различной скорости распространения двух поляризационных составляющих мод (рис. 1.13 б). При передаче цифрового высокоскоростного сигнала (>2,4 Гбит/с) из-за наличия _pmd может возрастать битовая скорость появления ошибок.

Рис. 1.13 Появление поляризационной модовой дисперсии

Таблица 1.4 Опорный коэффициент поляризационной модовой дисперсии, при котором обеспечивается необходимый уровень ошибок по битам в приемнике в соответствии с требованиями рекомендаций ITU-T

Скорость передачи	Максимальная задержка PMD, пс	Коэффициент PMD для ОВ длиной 400 км, пс/км
2,5	40	2
10	10	0,5
20	5	0,25
40	2,5	0,125

Главной причиной возникновения поляризационной модовой дисперсии является нециркулярность (овальность) профиля сердцевины одномодового волокна, возникающая в процессе изготовления или эксплуатации волокна. При изготовлении волокна только строгий контроль позволяет достичь низких значений этого параметра.

1.2.2 Классификации систем со спектральным уплотнением

Эта технология в зарубежной литературе получила название "wavelength division multiplexing" (WDM).

В середине 1990-х годов благодаря широкому внедрению эрбиевых оптических усилителей, начала бурно развиваться технология DWDM. 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 рекомендации ITU-T G.691 и ITU-T G.692. В них предусмотрено разделение всей рабочей области оптического волокна на диапазоны: L (longwavelength, длинноволновый) диапазон (1570 - 1625 нм), С (conventional, обычный) диапазон (1530 - 1570 нм) и S (shortwavelength, коротковолновый) диапазон (1460 - 1530 нм). В С-диапазоне при шаге 0,4 нм можно разместить до 100 каналов, что при скорости передачи в пределах 2,5 - 10 Гбит/с дает информационную емкость одного волокна 250 - 1000 Гбит/с.

В таблице 1.5 приведен один из вариантов классификации систем со спектральным уплотнением.

Таблица 1.5 Классификация систем WDM

В соответствии с рекомендацией ITU-T G.694.2, в таблице использованы следующие обозначения спектральных диапазонов:

Ш O - начальный, первичный (Original, 1260 - 1360 нм);

Ш E - расширенный (Extended, 1360 - 1460 нм);

Ш S - коротковолновый (Short wavelength, 1460 - 1530 нм);

Ш C - обычный, стандартный (Conventional, 1530 - 1570 нм);

Ш L - длинноволновый (Long wavelength, 1570 - 1625 нм).

Рекомендации МСЭ-Т и распределение длин волн. В 2002 году МСЭ выпустил новый стандарт, регламентирующий несущие частоты для систем DWDM: рекомендацию ITU-T G.694.1 (T-REC-G.694.1-200206), определяющую сетку частот для DWDM.

Номинальные центральные частоты для DWDM систем:

Ш Для канальных расстояний 12.5 GHz в волокне, допустимые канальные частоты (в THz) определены как: 193.1 + n. 0.0125 где n - положительное или отрицательное целое включая 0;

Ш Для канальных расстояний 25 GHz в волокне, допустимые канальные частоты (в THz) определены как: 193.1 + n. 0.025 где n - положительное или отрицательное целое включая 0;

Ш Для канальных расстояний 50 GHz в волокне, допустимые канальные частоты (в THz) определены как: 193.1 + n. 0.05 где n - положительное или отрицательное целое включая 0;

Ш Для канальных расстояний 100 GHz в волокне, допустимые канальные частоты (в THz) определены как: 193.1 + n. 0.1 где n - положительное или отрицательное целое включая 0;

Согласно рекомендации ITU-T G.694.2 в системах CWDM кроме широко известных диапазонов С, S, L используются еще два диапазона O (original, основной) 1260-1360 нм и E (extensive, расширенный) 1360-1460 нм.

Рис. 1.14 Распределение длин волн по диапазонам согласно рек. G. 694.2

1.3 Технологии передачи информации в ОЛС

При выборе сетевой магистрали, необходимо принимать во внимание следующие моменты:

1) соответствие стандартам - совместная работу и взаимозаменяемость изделий различных производителей, снижается риск привязки к частному решению;

2) коммерческая поддержка - соответствие международным стандартам, поддержка достаточным числом производителей;

3) отказоустойчивость - нечувствительность к отказам и разрывам соединений между взаимодействующими узлами (резервирование);

4) ремонтопригодность - поддержка простых процедур подключения или отключения дополнительных узлов сети.

5) высокая пропускная способность - в нашем случае этому уделяется отдельное внимание.

6) предсказуемое поведение в режиме реального времени - передача данных с малыми задержками для обеспечения предсказуемости откликов в режиме реального времени;

7) средства поддержки для эксплуатации в жестких условиях - надежная работа при экстремальных температурах, сильной вибрации и т.д.

1.3.1 Обзор современных цифровых технологий передачи информации в глобальных сетях связи

Развитие телекоммуникаций идет ускоренными темпами. Получили широкое развитие современные цифровые технологии передачи данных, к которым можно отнести ATM, Frame Relay, IP, ISDN, PCM, PDH, SDH и WDM. Причем такие технологии, как АТМ, ISDN, PCM, PDH, SDH и WDM можно отнести к технологии глобальных сетей (ГС), или к магистральным технологиям передачи данных.

Технологии ГС основаны на коммутации цепей, они используют предварительное установление соединения. С другой стороны, они относятся к магистральным технологиям, т.е. технологиям, способным передавать данные между ЛВС, районами, городами, зонами/регионами и государствами, использующих развитую адресацию на основе стандарта ITU-T E.164.

Рассмотрим кратко перечисленные выше технологии под углом зрения их использования как технологий ГС.

Технология IP - пакетная, неотъемлемый атрибут сети Internet и яркий пример сетевой технологии ЛВС, все шире и шире используется для передачи пакетизированного голосового трафика по сети Internet. Благодаря наличию маршрутизаторов и шлюзов в сети общего пользования, IP-телефония может рассматриваться как глобальная магистральная технология. Успех ее обусловлен следующим:

· наличием сформированной среды передачи -Internet, абонентами которой являются миллионы;

· низкими тарифами на использование сети для голосовой связи по сравнению с соответствующими тарифами традиционной междугородной и международной связи;

· универсальностью услуг сети: передача голоса, данных, видео и мультимедиа (любого уровня);

· универсальностью и доступностью терминального оборудования, устанавливаемого у клиента (ПК + модем);

· доступностью и простотой установки ПО у конечного пользователя;

· возможностью использовать все виды доступа в Internet (ТфОП, выделенный канал, радиорелейная и спутниковая связь).

Технология Frame Relay - пакетная технология КС (первый стандарт ITU-T (МСЭ-Т) относится к 1988 г.), пришедшая на смену технологии X.25. Удобное средство получения дешевых универсальных услуг по передаче голоса (VoFR), факса и данных, используя относительно небольшой (16-32 кбит/с) зарезервированный или коммутируемый виртуальный канал пакетной передачи. Эта технология используется достаточно широко, благодаря следующим возможностям:

· интегрированный сервис на скоростях до Е3/Т3 (34/45 Мбит/с);

· доступ в синхронную сеть асинхронных пользователей с помощью устройств доступа FRAD;

· уровень качества обслуживания/сервиса QoS;

· экономия средств за счет оптимально выбранной арендуемой полосы.

Эта технология не имеет развитых средств адресации, необходимых для магистральных сетевых технологий, но, будучи универсальной технологией доступа, близкой к технологии АТМ (виртуальная адресация PVC-SVC), может рассматриваться интегрировано с транспортной технологией ATM, как технология глобальных сетей.

Технология АТМ - пакетная, задуманная как универсальная широкополосная технология (широкополосная ISDN - BISDN), способная передавать любой тип трафика путем инкапсуляции его информационного содержимого в поле полезной нагрузки ячейки АТМ. (Первые стандарты также относятся к 1988 г.).

Эта технология может быть полностью отнесена к магистральным, но она не является транспортной, так как не имеет в своей OSI-модели физического уровня. В результате она должна использовать какую-то глобальную транспортную технологию, например PDH, SDH, SONET или WDM. Для этого эти технологии или должны иметь возможность инкапсулировать ячейки ATM в поле полезной нагрузки своих транспортных модулей, как это имеет место для технологий DS3, PDH, SDH и SONET, или иметь реализованный физический интерфейс, или интерфейсную карту, позволяющую непосредственно модулировать параметры (например, интенсивность) оптической несущей, как это имеет место в системах с WDM.

Техника инкапсуляции ячеек ATM в виртуальные контейнеры VC-n фреймов SDH (ATM over SDH) регламентируется новым стандартом ITU-T G.707 (3.96), а упаковка во фреймы PDH Е1-Е4 (АТМ over PDH) - новыми стандартами ITU-T G.804 (2.98) и G.832 (10.98). Аналогично регламентируется техника инкапсуляции АТМ over DS3 и ATM over SONET. Что касается интерфейсов, позволяющих передавать АТМ через WDM, то они реализуются производителями этого оборудования.

Технология АТМ имеет следующие возможности:

· предоставление интегрированных услуг по передаче голоса, факса, данных, видео и мультимедиа;

· обеспечение требуемого уровня качества обслуживания QoS;

· предоставление широкого диапазона скоростей передачи от Е1 до Е4, от STM-1 до STM-256 и от OC-1 до OC-768;

· приема передачи с помощью адаптерных плат ПК;

· инкапсуляции и передачи IP-трафика (технология IP over ATM).

Применение технологии АТМ так и не стало массовым, и в настоящее время по степени влияния и распространения она уступает технологии IP, которая может занять ее нишу вместе с технологией ISDN.

Технология ИКМ. Этой технологии уже около 40 лет. Относительный прогресс в России в этой области сводится к факту использования цифровых технологий и АТС и переходу на ОЦК - 64 кбит/с, как на базовую меру использования ширины полосы пропускания цифровых сетей в расчете на одного пользователя. ОЦК допускает не только его использование для передачи голоса, факса и данных, но и организацию наложенной связи (с коммутацией пакетов), а также вторичное уплотнение канала путем использования стандартных алгоритмов сжатия, сертифицированных для применения на сетях ВСС РФ. В первую очередь это относится к использованию известного алгоритма ADPCM (адаптивной дифференциальной ИКМ - АДИКМ), сжимающий ОЦК до 32 кбит/с (CCITT G.721, 1988 г.), и новых алгоритмов: LDCELP (алгоритм линейного предсказания с кодовым возбуждением и малой задержкой - ITU-T G.728, 1992 г.), сжимающий ОЦК до 16 кбит/с (в 4 раза), практически без ухудшения качества голоса, и CS-ACELP (ITU-T G.729, Annex A, 11.96), сжимающий ОЦК до 8 кбит/с (в 8 раз).

Технология PDH. Этой технологии около 30 лет. Относительный прогресс в этой области состоит лишь в том, что новая генерация оборудования PDH позволяет:

· использовать новую схему формирования фреймов Е2 с байт-интерливингом (ITU-T G.704, 10.98), расширяющую возможности использования схем сигнализации CAS и CCS;

· использовать новые структуры фреймов Е3 и Е4, используемые при взаимодействии PDH и SDH (ITU-T G.832, 10.98);

· передавать виртуальные контейнеры соответствующего уровня фреймов SDH, давая возможность системам PDH соединять отдельные кольца SDH в единую сеть;

· передавать ниббл сообщения о статусе синхронизации (SSM), формируемый системами SDH, и тем самым участвовать в управлении сетью синхронизации;