Цифровые системы передачи связи на железнодорожном транспорте

Размещено на http: //www. allbest. ru/

Реферат

Курсовой проект содержит: 45 страниц, 5 таблиц, 18 рисунков, 3 источника литературы.

Цифровая сеть, мультиплексор, топология, сетевой трафик, синхронизация, технология, транзитный канал, пропускная способность.

Цель курсовой работы - получить навыки проектирования цифровой сети связи на ж.д. транспорте, ознакомиться с цифровыми системами передачи; провести теоретические исследования параметров линейных трактов и выполнить технико-экономические расчеты.

В процессе работы производилось проектирование цифровой сети связи на участке Южно-Уральской железной дороги «Ишим-Тюмень-Курган-Петропавловск-Ишим» с помощью цифровых систем передач.

В результате работы было осуществлено проектирование цифровой сети связи, проведены теоретические исследования параметров линейных трактов и выполнены расчеты ОВ.

Курсовой проект выполнен в текстовом редакторе Microsoft Word, графический материал выполнен с использованием Microsoft Visio.



Содержание

Реферат

Введение

1. Задание на проектирование. Краткая характеристика аппаратуры DWDM

1.1 Характеристика аппаратуры OptiX BWS 1600G

1.2 Основные положения технологии DWDM

2. Основные компоненты DWDM

2.1 Источники лазерного излучения

2.2 Мультиплексоры/демультиплексоры DWDM

3. Технические требования к сети DWDM

4. Назначение и краткая характеристика аппаратуры волнового уплотнения OptiX

5. Назначение и краткая характеристика аппаратуры волнового уплотнения OptiX BSW 1600

6. Выбор оптического волокна и энергетический расчет

7. Конфигурация оборудования OptiX BWS 1600G-III

7.1 Конфигурация оптического усилителя OLA

7.2 Конфигурация оптического мультиплексора/демультиплексора OADM

Заключение

Библиографический список



Введение

На сегодняшний день железные дороги выступают ведущим звеном в транспортной системе Российской Федерации. Они представляют собой развитую сеть одно-, двух- и многопутных линий. Для обеспечения эффективной работы железнодорожного транспорта необходима современная система управления технологическими процессами и сферами деятельности железнодорожного транспорта.

Развитие микропроцессорной техники стимулировало интенсивное развитие новых информационных технологий, цифровых методов передачи информации. В конечном счёте, это привело к созданию новых высокоскоростных технологий глобальных сетей: PDH, SONET, SDH, ISDN, DWDM, FrameRelay, АТМ и другие. Одной из наиболее современных технологией, используемых в настоящее время для построения сетей связи, является технология волнового уплотнения DWDM.

Системы DWDM начали применяться с 1996 года главным образом на линиях связи большой протяженности, где в первую очередь требовалось увеличение пропускной способности. Добавление каналов с помощью технологии DWDM не требует замены существующего волокна и является естественным этапом развития сети.

Но DWDM рассматривается не только как средство повышения пропускной способности оптического волокна, а как наиболее надежная технология для опорной инфраструктуры мультисервисных и мобильных сетей, обеспечивающая резкое повышение пропускной способности сети и реализующая широкий набор принципиально новых услуг связи. Возможность DWDM интегрироваться с АТМ, IP, ADSL и другими перспективными технологиями и протоколами передачи цифровой информации делает ее незаменимой в процессе конвергенции между различными видами и службами связи.

Переключение на резервные каналы и маршруты в случае необходимости происходит значительно быстрее, чем в сетях SDH/SONET,что расширяет возможности передачи потоков голоса, видео и данных. Возможно, это позволит отказаться от большей части оборудования, работающего в стандарте SDH/SONET.

В данном курсовом проекте спроектирована цифровая сеть связи на участке Ишим-Тюмень-Курган-Петропавловск-Ишим на основе аппаратуры волнового уплотнения OptiX BWS 1600G типа I фирмы Huawei.

Тип I является базовым типом системы OptiX BWS 1600G, предназначенной для применения на магистральных оптических сетях передачи сверхбольшой емкости. Он поддерживает создание 160 каналов в одном оптическом волокне с максимальной скоростью передачи 10 Гбит/с в каждом канале. Разнесение каналов составляет 50 ГГц.

Благодаря модульной структуре данная система может быть легко развернута, а впоследствии ее емкость может быть увеличена согласно требованиям сети. Первоначально может быть развернута 40-канальная система, состоящая из одного комплекта мультиплексора и демультиплексора. Максимальная пропускная способность системы в данной конфигурации составляет 400 Гбит/с. С ростом графика пропускная способность системы может быть увеличена до 800 Гбит/с, 1200 Гбит/с и 1600 Гбит/с. При добавлении одного комплекта 40-канальных мультиплексора и демультиплексора пропускная способность системы увеличивается на 400 Гбит/с. Пользователю предоставляется возможность начинать развертывание системы с минимальной пропускной способности 2,5 Гбит/с и затем наращивать ее до максимума.

Система типа I отвечает требованиям, предъявляемым к системам операторского класса, то есть является системой большой емкости, обеспечивающей передачу на большие расстояния. И, кроме того, благодаря ее модульной структуре и возможности плавного увеличения пропускной способности, она позволяет снизить начальные инвестиции операторов, минимизируя таким образом коммерческий риск. С другой стороны, эта система обеспечивает возможность расширения, что гарантирует использование в будущем ее максимальной пропускной способности.

1. Задание на проектирование. Краткая характеристика аппаратуры DWDM

цифровой сеть связь железнодорожный

Проектируемый участок Южно-Уральской железной дороги «Ишим-Тюмень-Курган-Петропавловск-Ишим» изображен на рисунке 1.1. Управление дороги - Челябинск.

Рисунок 1.1 Проектируемый участок железной дороги

1.1 Характеристика аппаратуры OptiX BWS 1600G

Аппаратура DWDM OptiX BWS1600G - система нового поколения. Перечислим основные характеристики данной аппаратуры:

а) высокая пропускная способность

Максимальная пропускная способность системы типа I: 1600 Гбит/с (160х10 Гбит/с).

б) мультисервисный доступ

Поддерживается доступ к услугам SDFI, SONET u POS на скорости передачи от 2,5 Гбит/с до 10 Гбит/с.

в) дальность передачи

В системе типа I в основном используется метод кодирования без возврата к нулю (NRZ, Non Return to Zero). В таблице 1.1 приведены характеристики передачи, соответствующие кодированию NRZ.

Таблица 1.1 Дальность передачи системы типа I (160 каналов)

Конфигурация сети	Спецификации	Typical Distance
FEC активизировано	1Ч28 дБ	1Ч101 км (101 км)
	2Ч24 дБ	2Ч87 км (174 км)
	5Ч20 дБ	5Ч72 км (360 км)
FEC активизировано, используется усилитель Рамана	1Ч34 дБ	1Ч120 км (120 км)
	5Ч25 дБ	5Ч90 км (450 км)
	8Ч22 дБ	8Ч80 км (640 км)

Значение затухания в таблице является только линейным затуханием, не исключающим потери в любых оптических компонентах.

Если поддерживается усовершенствованная функция FEC, то расстояние передачи без регенерации может быть увеличено.

г) контроль сигналов и передача тактовых сигналов

Система OptiX BWS 1600G передает оптическую контрольную информацию по оптическому контрольному каналу с длиной волны 1510 нм со скоростью передачи 4,096 Мбит/с и с использованием CMI-кодирования. Данный оптический контрольный канал главным образом используется для передачи информации управления сетью и служебной информации.

Система типа I поддерживает резервный канал для контрольного канала при помощи сети передачи данных (DCN, data communications network). Благодаря этому система управления сетью может контролировать состояние сетевых элементов при повреждении оптоволокна.

Система типа I также поддерживает 3 канала передачи прецизионных тактовых сигналов. Каждый из 3 каналов синхронизации, встроенных в оптический контрольный канал с длиной волны 1510 нм, имеет скорость передачи 4,096 Мбит/с (с использованием CMI-кодирования). Для обеспечения резервирования каналов синхронизации используется резервный канал с длиной волны 1625 нм.

д) внешние интерфейсы:

1) интерфейс служебной связи: 3 разъема RJ-45

2) интерфейс передачи данных. интерфейсы RS-232, RS-422, F1

3) интерфейс синхронизации: 3 входа и 6 выходов, соединители SMB

4) интерфейс управления. Интерфейс Ethernet, интерфейс ОАМ.



2. Основные положения технологии DWDM

Со стремительным ростом речевых услуг и появлением новых видов услуг, с быстрым развитием IP-технологий, растут требования к пропускной способности сети.

Обычно сеть передачи расширяется двумя способами: за счет применения технологий SDM (пространственное мультиплексирование) или TDM (временное мультиплексирование).

SDM (Пространственное мультиплексирование).

Метод SDM увеличивает пропускную способность линейно за счет добавления определенного числа оптических волокон, что соответственно приведет к линейному увеличению количества оборудования.

В настоящее время, технология производства оптических кабелей находится на высоком уровне. Широко применяются многожильные оптические кабели. Усовершенствованная технология подключения оптических кабелей облегчает процесс построения сети, но увеличение количества оптических волокон, в конце концов, усложняет процессы прокладки кабеля и последующего техобслуживания кабельной системы. Если имеется недостаточное количество оптических волокон в оптическом кабеле, придется проложить дополнительные кабели, чтобы увеличить пропускную способность, данный метод увеличивает расходы на построение сети. Кроме того, данный метод не позволит полностью использовать ресурсы полосы пропускания оптического волокна. На практике, прокладывание новых оптических волокон для увеличения пропускной способности представляет собой очень трудоемкий процесс, поэтому он не применяется очень часто, кроме того, очень трудно предсказать рост объема услуг в будущем в самом начале развития сети оптической передачи. Вот почему на сегодняшний день использование данного метода SDM не находит широкого применения на практике.

TDM (Временное мультиплексирование).

Метод TDM (временного мультиплексирования) широко применяется для увеличения пропускной способности сети, при котором производится мультиплексирование стандартной первичной группы PDH до четвертой группы, и от SТМ-1, SТМ-4, STM-16 SDH до STM-64. Технология TDM может увеличить пропускную способность системы оптической передачи и значительно снизить затраты на оборудование при построении каждой схемы. Также этот метод облегчает выделение определенных цифровых сигналов, что очень удобно при построении самовосстанавливающегося кольца для организации защиты.

Данный метод увеличения пропускной способности за счет использования технологии TDM имеет два недостатка:

а) Воздействие на предоставление услуг. При модернизации оборудования на более высокую скорость передачи, придется поменять все сетевые интерфейсы и некоторое оборудование, таким

образом, процесс предоставления услуг придется прервать на период обновления аппаратной части;

б) Нерациональный процесс увеличения скорости передачи. Если, например, в оборудовании SDH со скоростью передачи данных 155 Мбит/с необходимо иметь два потока 155 Мбит/с каждый, то единственный способ в данном случае будем увеличить скорость передачи до 622 Мбит/с. Даже если остальные два канала по 155 Мбит/с не будут использоваться.

Для получения более высокой скорости передачи TDM затраты на оборудование будут еще более значительными, и оборудование TDM 40 Гбит/с имеет предел по скорости передачи электронного компонента. Даже для скорости передачи 10 Гбит/с, нелинейные эффекты и дисперсия в различных типах оптических волокон будут оказывать определенные ограничения на передачу сигнала.

На сегодняшний день, технология TDM широко применяется для увеличения пропускной способности систем, так как данный способ позволяет постоянно модернизировать систему. Но когда скорость передачи достигает определенного уровня, ограничения вследствие возможностей электронного компонента и оптических волокон заставляет искать новые решения для увеличения скорости передачи и пропускной способности.

Независимо от того, достигается ли увеличение пропускной способности системы за счет применения технологий SDM или TDM, основная сеть передачи применяет технологии PDH или SDH, то есть, система передает оптические сигналы одной длины волны. Данный метод передачи нерационально использует возможности оптического волокна, потому что полоса пропускания оптического волокна почти бесконечна для каналов, которые на сегодняшний день используют одну длину волны. То есть с одной стороны, необходимо решить проблемы большой загрузки трафика, с другой стороны, нерационально используются огромное количество оптических ресурсов.

Для решения подобных проблем, появилась технология DWDM, которая не только значительно увеличивает пропускную способность сети, но также позволяет полностью использовать ресурсы полосы пропускания оптического волокна, что в свою очередь позволяет гораздо рациональнее использовать сетевые ресурсы.

Технология DWDM, которая применяет такие характеристики одномодового оптического волокна, как большая полоса пропускания и малые потери, использует различные длины волн как несущие и позволяет сигналам одновременно быть переданными по каналам несущих в оптическом волокне.

По сравнению со стандартными одноканальными системами, DWDM не только значительно увеличивает пропускную способность системы передачи и полностью использует полосу пропускания оптического волокна, но также имеет преимущества при расширении системы и отличается более надежной работой системы.

В аналоговых системах передачи технология FDM (частотное уплотнение) применяется для полного использования полосы пропускания кабелей и увеличения пропускной способности, то есть, сигналы нескольких каналов передаются в одном и том же кабеле, и на принимающей стороне согласно разным частотам несущих, будут выделены сигналы каждого канала при помощи полосового фильтра.

Точно также, в системах оптической передачи, может быть применен свой оптический способ FDM для увеличения пропускной способности системы. Фактически, данный метод мультиплексирования является очень эффективным в системах оптической передачи. В отличие от FDM в аналоговых системах передачи, система оптической передачи использует оптическую волну как несущую сигнала и разделяет окно прозрачности оптического волокна на несколько каналов согласно частоте (длине волны) каждого канала оптической волны, таким образом, данный метод позволяет осуществить передачу оптических сигналов нескольких каналов по одному оптическому волокну.

Так как некоторые оптические компоненты (такие как узкополосные светофильтры и когерентные источники света) не являются совершенными по своей структуре, то очень трудно достигнуть высокоплотного оптического уплотнения (технология когерентной оптической передачи) оптического канала. Но некоторые виды оптических компонентов способны поддержать WDM когерентных оптических каналов. Как правило, уплотнение с широкими канальными интервалами (даже в различных окнах прозрачности), называют как спектральное уплотнение (WDM), и WDM с более маленькими канальными интервалами в одном окне прозрачности называют как мультиплексирование по длине волны высокой плотности (DWDM) С технологическим развитием,

современные системы позволяет обеспечить уплотнение с интервалом длины волны нанометр и даже меньше чем один нанометр.

Состав системы DWDM и спектр представлены на рисунке 2.1. На передающей стороне, оптический передатчик отправляет оптические сигналы, длины волн которых различаются, но точность и стабильность удовлетворяют определенным требованиям. Такие сигналы мультиплексируются вместе в мультиплексоре оптической длины волны и отправляются на EDFA (усилитель на оптическом волокне, легированном эрбием). EDFA применяется для компенсации потери мощности, вызванной в результате мультиплексирования и повышения мощности передачи оптического сигнала. Затем сигналы после усиления отправляются по оптическому волокну на приемную сторону через (иногда нет) оптический усилитель, где они усиливаются на предварительном усилителе (используется для улучшения чувствительности на приеме, что позволяет увеличить расстояние передачи), затем сигналы отправляются на оптический усилитель длины волны для выделения каналов оптических сигналов.

Рисунок 2.1 Состав и спектр системы DWDM

Существует несколько способов передачи DWDM:

а) Однонаправленная передача по оптическому волокну

Как показано на рисунке 2.2, оптическое волокно может осуществить передачу оптических сигналов в одном направлении, и передача сигналов в обратном направлении будет осуществляться по другому оптическому волокну, таким образом, одна и та же длина волны может быть повторно использована в обоих направлениях.

Рисунок 2.2 Однонаправленная передача по одному оптическому волокну системы DWDM

Optical source - источник света; Detector - детектор

Данная система DWDM может в полную силу использовать огромные ресурсы оптического волокна, увеличивая полосу пропускания в несколько раз. В междугородних сетях, можно увеличить пропускную способность за счет добавления дополнительных длин волн. Если не известно значение фактической дисперсии оптического кабеля, данный метод позволит обеспечить высокую пропускную способность за счет использования многочисленных сигналов SDH, вместо применения высокоскоростных систем TDM.

б) Двунаправленная передача по одному оптическому волокну

Как показано на рисунке 2.3, оптические сигналы могут быть переданы в обоих направлениях одновременно по одному оптическому волокну, причем сигналы передаются в двух направлениях на разных длинах волн.



Рисунок 2.3 Двунаправленная передача по одному оптическому волокну системы DWDM

Optical source - источник света; Detector - детектор Single optical fiber - одно оптическое волокно

Двунаправленная передача по одному оптическому волокну позволяет организовать дуплексный канал передачи, что помогает освободить половину оптоволоконных компонентов Т.к сигналы, передаваемые в обоих направлениях, совместно не создают эффект четырехволнового смешения WM (Four Wave Mixed frequency), поэтому общая величина этого эффекта в системе будет намного меньше, чем при однонаправленной передаче с использованием двух волокон, но недостаток у такого способа передачи состоит в том, что в системе приходится применять определенные меры против отражения оптического сигнала (включая дискретное отражение от оптического коннектора и обратное отражение Релея самого оптического волокна), чтобы избежать многолучевой интерференции. Когда необходимо усиливать оптические сигналы для увеличения расстояния передачи, необходимо применять двунаправленный оптический усилитель и оптический кольцевой компонент, но данные элементы обладают неудовлетворительным коэффициентом шума.

в) Ввод/вывод оптических сигналов

Оптический мультиплексор ввода/вывода (OADM) может быть использован для ввода/вывода оптических сигналов различных длин волн на узлах сети, через которые проходят данные сигналы. Данный метод может быть использован для организации сети с кольцевой топологией системы DWDM. В настоящее время OADM может выполнять функции ввода/вывода на фиксированных длинах волн (как показано на рисунке 2.4), что ограничивает использование данного метода.

Рисунок 2.4 Оптическая передача ввода/вывода

Optical source - источник света; Detector - детектор

Способы реализации систем DWDM

Системы DWDM могут быть двух видов:

а) открытая система DWDM;

Открытая система DWDM не имеет особых требований к оптическим интерфейсам терминалов мультиплексирования при условии, что эти интерфейсы находятся в соответствии со стандартами оптических интерфейсов, указанных в рекомендациях ITU-Т G.957/G 691. Применяя технологию преобразования длины волны, система DWDM будет преобразовывать оптические сигналы на терминале мультиплексирования в назначенные длины волн, и конвертировать оптические сигналы от другого терминального оборудования в длины волн, удовлетворяющие рекомендациям ITU-Т G. 692, и затем мультиплексировать их вместе.

б) интегрированная система DWDM;

Интегрированная система DWDM не применяет технологию преобразования длины волны, взамен, система требует, чтобы длины волн оптических сигналов на терминале мультиплексирования соответствовали спецификациям систем DWDM, и чтобы разные виды терминального оборудования мультиплексирования передавали разные длины волн в соответствии с рекомендациями ITU-Т G.692, так чтобы длины волн занимали разные каналы для входа на оптический соединитель таким образом, чтобы их можно было вместе объединить.

Можно выбрать вид системы, согласно условиям проекта. На практике, очень часто применяют одновременно оба вида систем открытую систему DWDM и интегрированную систему DWDM.

Технология DWDM имеет следующие преимущества:

а) высокая пропускная способность

Стандартные оптические волокна, которые применяются на сегодняшний день, имеют очень большую ширину полосы пропускания, но коэффициент использования данной полосы очень низок. Технология DWDM позволяет увеличить пропускную способность одного оптического волокна в сотни раз по сравнению с пропускной способностью одной длины волны. Совсем недавно, была успешно протестирована в лабораторных условиях система DWDM 128х40 Гбит/с, расстояние передачи которой было 120 км.

б) передача любых видов сигналов

Система DWDM мультиплексирует и демультиплексирует разные длины волн, причем не имеет никакого значения, какую скорость передачи имеет передаваемый сигнал, и какой применяется метод электрической модуляции. Система может передавать сигналы с любыми характеристиками, объединять и разделять электрические сигналы, включая цифровые сигналы и аналоговые сигналы.

в) защита вложенных средств при модернизации системы

При расширении и развитии сети, нет необходимости в замене линий оптических кабелей, необходимо взамен поменять оптический передатчик и приемник, таким образом, данный метод представляет собой очень удобный способ для быстрого расширения сети и для представления новых широкополосных услуг (CATV, HDTV и В-ISDN). При добавлении новой длины волны, можно добавить новую услугу или повысить пропускную способность по вашему усмотрению.

г) экономичность, надежность, гибкие возможности при построении сети

Новая сеть передачи на основе технологии DWDM имеет гораздо более простую структуру, чем традиционные сети на технологии электрической TDM, обладает более четкими сетевыми уровнями, и передача услуг реализуется за счет настройки длин волн соответствующих оптических сигналов.

д) совместимость с сетями следующего поколения

На сегодняшний день можно сделать следующий прогноз, что будущее оптических сетей передачи и функции ввода/вывода и коммутация услуг будет осуществляться за счет изменения и подстройки длины волны оптического сигнала в оптическом волокне, поэтому, технология DWDM будет являться ключевым элементом при построении оптических сетей передачи. Совместимость DWDM с будущими оптическими сетями даст возможность построения глобальной оптической сети на основе высокой устойчивости работы систем DWDM.



3 Основные компоненты DWDM

3.1 Источники лазерного излучения

Лазер

Функция источника света заключается в генерации лазерного луча. Он является самым важным компонентом системы DWDM. В настоящее время, в системе DWDM в качестве источника света применяется полупроводниковый лазерный диод LD (Laser Diode).

Система DWDM имеет большое количество рабочих длин волн, которые расположены друг от друга с интервалом в несколько нанометров или даже меньше одного нанометра, что требует от LD, чтобы он работал на стандартной длине волны и имел хорошую стабильность. С другой стороны, расстояние передачи системы DWDM без электрического регенератора увеличивается с 160 км в отличие от системы SDH до 500-600 км. Чтобы преодолеть нелинейные эффекты оптического волокна и увеличить расстояние передачи, которое ограничено дисперсией, системе DWDM необходимо использовать как источник света: лазер с малой паразитной модуляцией несущей (низкий уровень чирпирования) и с высоким толерантным интервалом дисперсии. Подведя итог, можно сделать вывод, что источник света системы DWDM имеет две превосходные характеристики:

а) более высокий интервал дисперсии;

б) стандартные и стабильные длины волн.

Виды модуляции LD

В настоящее время, большинство систем оптической передачи являются системами прямого детектирования модуляции сигнала яркости. Модуляция яркости источника света может быть осуществлена двумя способами: метод непосредственной модуляции и метод косвенной модуляции.

а) непосредственная модуляция

Непосредственная модуляция также она еще называется внутренней модуляцией, напрямую модулирует сигнал источника света, изменяет мощность оптического сигнала от LD за счет контроля входного потока полупроводникового LD. Источники света LED или LD, используемые в системах PDH и SDH со скоростью передачи 2,5 Гбит/с, применяют данный метод модуляции.

Выходная мощность при непосредственной модуляции пропорциональна току модуляции.

Этот метод прост, имеет низкие потери и низкую стоимость, но дисперсия тока модуляции будет вызвать изменения длины эндовибратора света лазерного диода, что будет причиной изменения передающей длины волны лазера вместе с током модуляции, данный вид изменения называется чирпом модуляции (паразитная модуляция), представляет собой определенный вид джиттера длины волны (частоты), который не может быть преодолен источником света непосредственной модуляции.

Присутствие чирпа растягивает полосу пропускания спектра испускания лазерного диода, что ухудшает спектральные характеристики источника света и ограничивает скорость передачи и расстояние. В общем, если применяется стандартное оптическое волокно G.652, расстояние передачи не превышает 100 км, и скорость передачи не превышает 2,5 Гбит/с.

Для систем DWDM, которые не используют оптоволоконные усилители, рекомендуется применять непосредственную модуляцию лазерного диода, для того чтобы снизить затраты.

б) косвенная модуляция

Косвенная модуляция: она также называется внешней модуляцией. Данный метод не модулирует источник света напрямую, вместо этого модулятор устанавливается на выходе, и в данном случае модулятор действует в роли коммутирующего устройства.

Структура данного метода представлена на рисунке 3.1.

Рисунок 3.1 Схема внешней модуляции LD

Постоянный источник света представляет собой стабильный источник света, который постоянно отправляет фиксированные длины волн, которые свободны от воздействия электрического модулирующего сигнала на процесс прохождения светового сигнала, таким образом, не генерируется чирп частоты модуляции и ширина спектра держится минимальной. Оптический модулятор обрабатывает высоко стабильный лазерный поток от постоянного источника света в режимах "Allow (Разрешить)" или "Forbid (Запретить)" согласно электрическим модулирующим сигналам. Во время процесса модуляции, спектральные характеристики оптической длины волны остаются неизменными, таким образом, гарантируется качество спектра.

Косвенная модуляция лазерного диода представляет собой очень сложный процесс, имеет высокие потери и высокую стоимость, но чирп частоты модуляции очень мал, то есть может применяться для систем со скоростью передачи выше ? 2,5 Гбит/с и расстоянием передачи свыше 300 км. Как правило, в системах DWDM, где применяется оптический линейный усилитель, используется косвенная модуляция лазерного диода.

Оптический усилитель на волокне, легированном эрбием (EDFA)

Как ключевой компонент новых систем оптической передачи, оптический усилитель на волокне, легированном эрбием (EDFA), имеет много преимуществ, а именно, высокий коэффициент усиления, большая выходная мощность, широкая рабочая оптическая полоса пропускания, независимость поляризации, низкий коэффициент шума и характеристики усиления не имеют зависимости от скорости передачи и формата данных. EDFA является очень важным компонентом систем DWDM высокой емкости.

Теория рабаты EDFA

Для усиления мощности оптического излучения, некоторые пассивные оптические компоненты, источник накачки и волокно, легированное эрбием, объединяются в определенную оптическую структуру. На рисунке 3.2 представлена стандартная оптическая структура оптического усилителя на волокне, легированного эрбием с источником двойной накачки.

Рисунок 3.2 Прохождение света внутри EDFA

Как показано на рисунке 3.2, световой сигнал и световой пучок накачки от лазера накачки объединяются вместе на мультиплексоре DWDM, затем они отправляются на волокно, легированное эрбием (EDF). Два лазера накачки формируют двухступенчатый лазер накачки. Возбужденный от лазера накачки, EDF выполняет функцию усиления.

Оптический соединитель (WDM)

Оптический соединитель, исходя из названия, выполняет функцию объединения. Объединяет световой сигнал и свет накачки, и отправляет объединенный сигнал на волокно, легированное эрбием. Данное устройство, также иногда называют оптическим мультиплексором.

Оптический изолятор (ISO)

Оптический изолятор (ISO), компонент, который применяет магнитооптический эффект Фарадея, позволяет только однонаправленную передачу света. На пути прохождения света, функции двух изоляторов заключаются в следующем: приемный изолятор предотвращает попадание обратного ASE в EDF, не допускает влияние на передатчики системы и генерации больших шумов, когда они отражаются на приемной стороне и снова входят на EDF. Выходной изолятор предотвращает усиленный оптический сигнал, когда он отражен на выходной стороне, от повторного входа в EDF, потребляя (поглощая) частицы и воздействуя на характеристики усиления EDF.

Лазер накачки (PUMP)

Лазер накачки, источник энергии EDFA, обеспечивает энергию для усиления оптического сигнала. Как правило, применяется полупроводниковый лазер с выходными длинами волн 980 нм или 1480 нм. При прохождении через EDF, пучок накачки возбуждает ионы эрбия с нижнего уровня до верхнего уровня. Таким образом, образуется инверсия населенности. Когда световой сигнал проходит через волокно легированное эрбием, ему передается энергия ионов, таким образом, выполняется функция усиления.

Оптический разделитель (ТАР)

Оптический разделитель в EDFA выполняет функцию выделения части оптического сигнала для мониторинга мощности оптического излучения основного канала.

Оптический детектор (PD)

PD представляет собой детектор мощности оптического излучения. Его функция заключается в преобразовании мощности оптического излучения в фототок при помощи оптоэлектронного преобразования. Таким образом, PD контролирует входную и выходную мощность оптического излучения модуля EDFA.

3.2 Мультиплексоры/демультиплексоры DWDM

В системе DWDM, компоненты DWDM классифицируются на два типа: мультиплексор и демультиплексор, как показано на рисунке 3.3. Основная функция мультиплексора заключается в объединении нескольких длин волн сигналов для передачи по одному оптическому волокну Основная функция демультиплексора заключается в разделении нескольких длин волн сигналов, передаваемых по одному оптическому волокну. Для надежной работы системы DWDM к компонентам системы DWDM предъявляются такие требования, как достаточное количество мультиплексированных каналов, малые вносимые потери, эффективное уменьшение перекрестных помех, широкая полоса пропускания и тд. Мультиплексор и демультиплексор являются одинаковыми по принципу действия и требуют только изменения направлений входа и выхода. Рабочие характеристики компонентов DWDM применяемых в системах DWDM должны удовлетворять требованиям определенных в ITU-Т G.671 и других имеющим отношение к данным системам рекомендациям.



Рисунок 3.3 Компоненты DWDM

Multiplexer - мультиплексор, demultiplexer - демультиплексор

Имеется много различных способов для производства компонентов DWDM, каждый из которых имеет свои особенности. В настоящее время, имеется четыре типа широко распространенных компонентов DWDM:

а) компонент DWDM на основе оптической решетки

Компонент DWDM на оптической решетке использует компонент углового рассеяния для разделения и объединения оптических сигналов различных длин волн. Наиболее распространенные дифракционные решетки делаются нанесением эпоксидной смолы на стеклянную подложку и нанесением штрихов на эпоксидной смоле для формирования отражательного типа концентрирующей отражательной решетки. Когда падающий свет достигает оптической решетки, оптические сигналы с разными длинами волн отражаются с разными углами в соответствии с функцией углового рассеивания решетки.

Затем эти сигналы сводятся к различным выходным оптическим волокнам при помощи линз, чтобы выполнить функцию разделения длин волн. Обратный процесс также верен, как показано на рисунке 3.4. Преимущество концентрирующей дифракционной решетки заключается в высокой разрешающей способности функции разделения длин волн, которая способна разделить большую часть энергии определенной длины волны от других длин волн в централизованных направлениях.

Рисунок 3.4 Принцип компонента DWDM на базе концентрирующей дифракционной решетки

Diffraction grating - дифракционная решетка

Фильтр на концентрирующей дифракционной решетке имеет высокую избирательность по длине волны и может снизить интервал между длинами волн до 0,5 нм. Кроме того, дифракционная решетка работает параллельно, и ее вносимые потери не увеличиваются с числом мультиплексируемых длин волн. Таким образом, можно мультиплексировать большое количество каналов. В настоящее время, удается осуществить мультиплексирование 131-ой длины волны с интервалом 0,5 нм с хорошей развязкой между каналами. Недостатком концентрирующей дифракционной решетки является относительно большие вносимые потери, обычно в пределах 3~8 дБ. Кроме того, очень чувствителен данный компонент к поляризации и его отношение полосы пропускания к интервалу между каналами не является идеальным. То есть коэффициент использования оптического спектра не очень высок. Требования по отказоустойчивости длины волны для лазера и компонента DWDM довольно высоки. К добавлению к этому, тепловой дрейф изменяется с коэффициентом теплового расширения и коэффициентом преломления материала. Стандартно, тепловой дрейф компонента довольно таки высок, приблизительно 0,012 нм /. Если применять меры по контролю температуры, то можно добиться изменения температуры в пределах 0,0004 нм /. Таким образом, необходимы меры по контролю температуры.

Данная оптическая решетка требует высокой точности при изготовлении, и поэтому она не пригодна для массового производства. Данный вид решетки применяется только при научных исследованиях.

Кроме вышеупомянутого оптоволоконного компонента, сильное развитие в настоящее время получили фильтры на основе брэгговской дифракционной решетки. Она изготовляется, используя интерференцию ультрафиолетовых лучей высокой мощности для формирования периодического изменения коэффициента преломления световедущей жилы (сердцевины) оптического волокна Точность может быть до 10000 линий на сантиметр, как показано на рисунке 3.5. Оптоволоконная брэгговская решетка может быть легко разработана и произведена с небольшими затратами. Она имеет малые вносимые потери и стабильные температурные характеристики. Имеет плоскую внутриполосную характеристику фильтрования и очень крутую кривую внеполосной характеристики (наклон кривой достигает 150 дБ/ нм и внеполосный коэффициент подавления - до 50 дБ). Данный компонент можно напрямую впаять в оптическое волокно системы. Таким образом, может быть изготовлен как полосовой фильтр или полосовой режекторный фильтр с маленьким разносом каналов. В настоящее время данный компонент широко применяется в системах DWDM. Однако данный тип оптоволоконной решетки имеет маленький диапазон длин волн, применяемый только для одной длины волны. Его преимущество заключается в том, что фильтры могут быть добавлены или удалены согласно количеству длин волн.



Рисунок 3.5 Оптоволоконной фильтр на брэгговской решетке

Ultraviolet light interference - интерференция ультрафиолетовых лучей; periodic variation of the refractive index (grating) - периодическое изменение индекса преломления решетки

б) компонент DWDM на диэлектрической пленке

Компонент DWDM на диэлектрической пленке представляет собой взаимодействующий компонент DWDM, который состоит из диэлектрических пленок (DTF). Интерференционные фильтры DTF состоят из нескольких десятков диэлектрических пленок сделанных из различных материалов, которые имеют различные коэффициенты преломления и различную толщину согласно техническим условиям проекта Каждый уровень имеет 1/4 длины волны в толщине. Уровни с высоким показателем преломления и с низким показателем преломления наложены внахлест. Когда свет входит в уровень с высоким коэффициентом преломления, отраженный свет не имеет фазового сдвига. Однако, когда свет входит в уровень с низким коэффициентом преломления, то отраженный свет претерпевает фазовый сдвиг на 180°. С учетом того, что толщина уровня 1/4 длины волны (900), свет, отраженный от уровня с низким коэффициентом преломления, претерпевает фазовый сдвиг 360° и синфазно накладывается с отраженным светом с уровня с высоким коэффициентом преломления. Таким образом, отраженные световые сигналы уровней накладываются около центральной длины волны и формируют интенсивный световой сигнал на входной поверхности фильтра. В области с высокой степенью обратного отражения отраженный свет внезапно уменьшается, и большая часть света становится светом передачи.

Соответственно, пленочный интерференционный фильтр может быть сделан как полосовой фильтр определенного диапазона длин волн и полосовой режекторный - для остальных длин волн, тем самым, формируя требуемые характеристики фильтра. Принцип действия пленочного интерференционного фильтра представлен на рисунке 3.6.

Основные характеристики компонентов DWDM на основе диэлектрических пленок: миниатюризация и структурная стабильность компонента может быль достигнута при помощи данного подхода, полоса пропускания сигнала плоская и не зависит от поляризации, малые вносимые потери и хорошая развязка между каналами. Недостатки заключается в том, что используется в данном случае небольшое количество каналов. Особые специфические характеристики компонента имеют отношение к его структуре. Например, если компонент DWDM на пленочном фильтре изготовлен из мягкого материала, то его длина волны может быть изменена в результате воздействия окружающей среды, потому что фильтр легко впитывает влагу. При использовании пленок из твердых диэлектрических материалов, температурная стабильность больше чем 0,0005 нм/. Кроме того, процесс изготовления данного компонента является очень долгим, и объемы производства невелики.

В системах DWDM, когда применяется от 4 до 16 длин волн, данный вид компонента DWDM является наиболее подходящим



Рисунок 3.6 Принцип действия демультиплексора на пленочном интерференционном фильтре

в) конический компонент DWDM

Имеется два типа волоконно-оптических соединителей. Широко используется вплавленный конический соединитель, который получается следующим образом: вытаскиваются несколько оптических волокон в расплавленном состоянии, образуется их них конус, затем волокна слегка скручиваются для объединения. Из-за того, что жилы разных волокон находятся очень близко друг к другу, требуемая мощность объединения может быть получена за счет исчезающей волны в конической области. Второй тип соединителя использует методы шлифования и полирования для удаления части оболочки оптического волокна, так чтобы остался только тонкий слой. Затем два оптических волокна обработанных подобным образом соединяются. После этого наносится между ними жидкость с согласованным показателем преломления. Таким образом, два волокна могут выполнить операцию объединения за счет исчезающей волны в оболочке и получить требуемый уровень мощности объединения. Конический компонент DWDM легко производить, и он широко применяется в системах DWDM.

г) компонент DWDM на основе интегрированного световода

Компонент DWDM на основе интегрированного световода представляет собой плоский волновод, построенный на основе технологии оптической интеграции. Стандартный процесс изготовления световода происходит следующим образом: плавленый кварц наносится на кремневую подложку, формируя требуемый рисунок при помощи процесса фототравления. Данный элемент имеет большую перспективу применения в будущих сетях доступа. Более того, кроме как компонент DWDM, данный элемент может быть изготовлен в виде матричной структуры для ввода/вывода каналов оптических сигналов (OADM).

Данный подход является наиболее предпочтительным при реализации оптической коммутации в оптических транспортных сетях следующего поколения.

Стандартный компонент системы DWDM, который использует оптический волновод, представляет собой мультиплексор/демультиплексор на оптической волноводной решетке (AWG), производимой компанией NTT, Япония. Имеет много преимуществ, включая маленький интервал между длинами волн, большое количество каналов и плоскую полосу пропускания. То есть, идеально подходит для высокоскоростных систем DWDM высокой емкости. Структурная диаграмма представлена на рисунке 3.7.



Рисунок 3.7 Принцип действия компонента AWG DWDM Fan-like Waveguide - волновод с веерной расстановкой; free space - свободное пространство; Waveguide grating - волноводная решетка

Характеристики компонентов DWDM

Таблица 3.1 Сравнение компонентов DWDM

Компонент	Механизм	Массовое производство	Разнос каналов (нм)	К-во кан.	Перек. помехи (дБ)	Внос. потери (дБ)	Недостатки
Оптическая решетка	Угловая дифракция	Среднее	0,5~10	131	-30	3~6	Чувствителен к температуре
Диэлектр. пленка	Интерференция/поглощение	Среднее	1~100	2~32	-25	2~6	Малое количество каналов
Конический компонент	Зависит от длины волны	Простой в изготовлении	10~100	2~6	- (10~45)	0,2~1,5	Малое количество каналов
Оптический волновод	Плоский волновод	Простой в изготовлении	1~5	4~32	-25	6~11	Большие вносимые потери



4. Технические требования к сети DWDM

Проектируемая сеть DWDM на участке «Ишим-Тюмень-Курган-Петропавловск-Ишим» Южно-Уральской железной дороги должна соответствовать следующим требованиям:

а) топология сети DWDM должна базироваться на существующей физической инфраструктуре волоконно-оптических кабелей магистральной цифровой сети связи Федерального железнодорожного транспорта.

При этом должны соблюдаться следующие условия:

1) рабочие и резервные кабели сети DWDM должны быть физически разнесены и должны проходить по разным маршрутам;

2) в волоконно-оптических кабелях рабочего и резервного направлений должны использоваться по два оптических волокна (прием и передача оптических сигналов - полудуплекс);

б) в сети DWDM должно совместно использоваться оборудование SDH и DWDM. Оборудование DWDM используется для передачи магистрального группового сигнала на большие расстояния с использованием топологии «точка-точка», а оборудование SDH используется для привязки существующей сети SDH к сети DWDM. Оборудование сети DWDM должно размещаться в пунктах инфраструктуры железной дороги, на которых имеется возможность ее технического обслуживания;

в) максимальная масштабируемость сети DWDM должна достигать 40 оптических каналов с пропускной способностью до 10 Гбит/с каждый в диапазоне длин волн С. Разнос между оптическими несущими должен составлять 100 ГГц;

г) терминальное оборудование DWDM должно осуществлять ввод и вывод оптических сигналов STM-N;

д) линейное регенерационное оборудование должно восстанавливать оптические сигналы, приходящих с основного и резервного направлений по следующим параметрам: амплитуда, ширина импульса и скважность импульса, центральная длина волны и ширина спектра источника излучения (ЗК-регенерация). Кроме этого, линейное регенерационное оборудование должно обеспечивать стыковку между участками резервирования и осуществлять дублирование оптических сигналов для передачи по рабочему и резервному направлениям;

е) узлы оптического усиления должны располагаться между оборудованием, осуществляющим регенерацию оптических сигналов, и обеспечивать усиление оптических сигналов без оптоэлектронного преобразования. Для дальнейшего развития сети необходимо предусмотреть возможность установки оптических мультиплексоров ввода/вывода на базе оптических усилителей;

ж) интерфейсы оборудования DWDM должны соответствовать Рекомендациям ITU-T G.709 и G.692;

з) срок службы оборудования должен составлять не менее 15 лет;

и) параметры сигнала синхронизации на выходе сети DWDM должны соответствовать Рекомендациям ITU-T G.823, G.825 и G.958;

к) оборудование DWDM должно поддерживать функцию автоматического регулирования мощности в зависимости от числа рабочих каналов в системе;

л) оборудование SDH и DWDM по электропитанию должно удовлетворять требованиям ETSI 300 132-2;

м) оборудование DWDM должно использовать резервирование 0-SNCP, эквивалентное схеме резервирования «1 + 1».

При этом должны соблюдаться следующие условия:

1) время переключения с основного направления на резервное должно составлять не более 50 мс;

2) должна обеспечиваться возможность переключения на резервный путь на основе анализа сигнала на электрическом уровне;

3) оборудование, осуществляющее переключение на резерв, должно обеспечивать возможность автоматического возврата на рабочее направление после его восстановления по задаваемому с системы управления (СУ) времени ожидания;

4) должна обеспечиваться возможность ручного переключения на рабочее и резервное направления;

н) аппаратура SDH должна отвечать соответствующим рекомендациям 1TU-T и стандартам ETSI;

о) оборудование SDH должно обеспечивать ввод/вывод компонентных сигналов в агрегатные;

п) оборудование SDH должно контролироваться и управляться с помощью микропроцессорных устройств и специализированного программного обеспечения. Оборудование должно иметь интерфейсы к рабочей станции и местному терминалу системы обслуживания, а также интерфейсы к станционной сигнализации, служебной связи, каналам пользователя и общестанционным устройствам;

р) в оборудовании SDH должна быть обеспечена возможность образования местных и удаленных шлейфов, как в сторону станции, так и в сторону линии для всех портов. Кроме этого, должно обеспечивать резервирование трактов передачи и резервирование блоков аппаратуры;

с) общая готовность линии должна соответствовать рекомендации ITU-T G.602 и G.911;

т) сеть DWDM должна иметь систему управления (СУ) на базе принципов TMN (Telecommunications Management Network; Сеть управления связью) в соответствии с Рекомендацией ITU-T М.ЗОЮ со следующими характеристиками:

1) сеть управления должна распространять свое действие на таких уровнях TMN, как уровень сетевых элементов DWDM, уровень управления сетевыми элементами и уровень управления сетью;

2) на каждом уровне модели TMN должно обеспечиваться управление конфигурированием, производительностью, неисправностями и безопасностью;

3) сетевые элементы должны управляться как системой управления, так и с помощью локального управляющего терминала (Craft Interface Device - CID);

4) система управления сетью DWDM должна строиться с использованием единого аппаратно-программного комплекса, и позволять управлять как оборудованием DWDM, так и оборудованием SDH;

5) для каждого параметра производительности сетевой узел должен поддерживать 15-минутный 24-часовой интервал сбора данных:

6) все сетевые элементы сети DWDM должны поддерживать не менее 2 служебных каналов речевой частоты (РСМ 64 kbps);

7) каждый узел сети DWDM должен поддерживать добавление и извлечение (Add & Drop) оптического канала управления OSC (Optical Supervisory Channel);

у) система технической поддержки эксплуатации сети DWDM должна включать в себя:

1) аварийное обслуживание;

2) технические консультации;

3) актуализация версий и релизов программного обеспечения;

4) ремонт и замена модулей.



5. Назначение и краткая характеристика аппаратуры волнового уплотнения OptiX BSW 1600

OptiX BWS 1600G является магистральным оптическим оборудованием передачи нового поколения большой ёмкости, обеспечивающей передачу на большие расстояния, и обладает следующими характеристиками и возможностями:

а) плавное наращивание емкости;

Емкость одной подсистемы, используемой для конфигурирования системы, составляет 40 каналов. Первоначально в зависимости от требований к системе могут быть сконфигурированы от 1 до 40 каналов (максимальная пропускная способность 400 Гбит/с). Если необходимо сконфигурировать более 40 каналов, то следует просто добавить одну подсистему для увеличения ёмкости доступа с 40 до 80 каналов. Аналогично система может быть расширена до 160 каналов (максимальная пропускная способность 1600 Гбит/с).

б) открытая и интегрированная системы;

В открытой системе для преобразования сигналов доступа в DWDM-сигналы стандартной длины волны согласно G.692 и для обратного преобразования используется блок оптического ретранслятора (транспондера) (OTU, optical transponder unit). В этом случае совместно с системой OptiX BWS 1600G может использоваться любое стандартное оборудование передачи любого производителя. Поддерживается доступ к услугам SDH, SONET и POS на скорости передачи от 2.5 до 10.0 Гбит/с.

В интегрированной системе транспондеры не используются. Любой клиентский сигнал, соответствующий требованиям G.692, получает прямой доступ непосредственно к системе OptiX BWS 1600G.

в) компактная конструкция;

Конструкция системы OptiX BWS 1600G является весьма компактной. Для конфигурации ОТМ с пропускной способностью 1600 Гбит/с необходимо всего шесть шкафов.

г) многоскоростной и мультисервисный доступ;

Система поддерживает доступ к услугам SDH/SONET/POS на скорости передачи от 2.5 до 10.0 Гбит/с. Эти услуги включают:

1) стандартный SDH STM-16/64;

2) стандартный SONET ОС-48/192;

3) связанная полезная нагрузка стандарта SDH STM-16c/64c;

4) связанная полезная нагрузка стандарта SONET ОС-48с/192с.

д) максимальное использование среды передачи;

Плата OCU мультиплексирует четыре канала 2.5 Гбит/с в один канал 10 Гбит/с с прозрачной передачей сигналов. Это обеспечивает высокую степень использования ширины полосы пропускания и снижает стоимость передачи.

е) высокая точность;

Применение технологий прямого исправления ошибок (FEC, Forward Error Correction) и усовершенствованного FEC (EFEC) улучшает качество передачи и обеспечивает возможность исправления ошибок оборудования, а также позволяет увеличить длину оптической секции передачи между сетевыми элементами DWDM. EFEC является относительно новой методикой исправления ошибок, которая использует усовершенствованное двухуровневое кодирование. Данное кодирование позволяет равномерно распределять ошибки пакетов, что является более эффективным механизмом, чем FEC.

ж) использование EDFA для усиления оптических сигналов С-диапазона и L- диапазона;