Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Существующие методы проектирования и расчета ВОСП-СР и результаты их внедрения на сетях операторов связи 16
1.1 Существующие способы оценки качества передаваемой информации 17
1.2 Оценочные методы определения предельной протяженности регенерационной секции ВОСП-СР 25
1.2.1 Вопрос оценки хроматической дисперсии 26
1.2.2 Вопрос оценки поляризационно-модовой дисперсии 37
1.2.3 Расчет отношения сигнал/шум по критерию энергетических потерь 38
1.3 Точные методы, основанные на решении нелинейного уравнения Шредингера 44
Выводы к главе 1 48
Глава 2. Исследование влияния хроматической дисперсии на распространение оптического сигнала 49
2.1 Исследование влияния хроматической дисперсии на протяженность регенерационной секции 49
2.2 Зависимость между отношениями сигнал/шум в оптической и электрической области 60
2.3 Ограничения существующего метода оценки предельной протяженности ВОЛС 68
2.4 Допустимая величина уширения импульса 71
2.5 Определение величины штрафа по мощности из-за уширения длительности 72
импульса
Выводы к главе 2
Глава 3. Исследование влияния фазовой модуляции на распространение оптического сигнала 78
3.1 Исследование влияния эффекта линейной фазовой модуляции 79
3.2 Исследование влияния эффектов нелинейной фазовой модуляции 83
Глава 4. Разработка метода инженерного расчета ВОСП-СР 93
4.1 Оценка отношения сигнал/шум по потерям 93
4.2 Оценка отношения сигнал/шум по скорости 97
4.3 Определение длительности импульса на выходе оптической системы 98
4.4 Метод расчета ВОСП-СР 101
4.5 Применение метода 106
Выводы к главе 4 114
Заключение 115
Литература
- Оценочные методы определения предельной протяженности регенерационной секции ВОСП-СР
- Точные методы, основанные на решении нелинейного уравнения Шредингера
- Зависимость между отношениями сигнал/шум в оптической и электрической области
- Определение длительности импульса на выходе оптической системы
Введение к работе
Диссертация посвящена исследованию и разработке методов инженерного расчета предельной протяженности регенерационной секции волоконно-оптических систем передачи со спектральным разделением (ВОСП-СР).
Актуальность темы и состояние вопроса
До настоящего времени на территории РФ существовала ситуация, когда в основном несколько крупных операторов фиксированной связи осуществляли строительство собственных транспортных сетей, в особенности это касается магистральных участков, связывающих города различных субъектов РФ. Текущие тенденции развития телекоммуникационных сетей определяют значительный рост потребности операторов фиксированной и сотовой связи в пропускной способности для предоставления различных широкополосных услуг абонентам. Это ведет к тому, что операторы связи вынуждены значительно повышать пропускную способность и надежность своих сетей, что требует увеличение объема арендуемых каналов, и неминуемо ведет к значительному повышению операционных затрат. Кроме того, для любого оператора связи вышеуказанная ситуация является непривлекательной по ряду других причин. В том числе, из-за отсутствия гибкости при организации передачи информации, резервировании, а также зависимости от партнеров при принятии технических и коммерческих решений. Таким образом, для крупных операторов сотовой и фиксированной связи целесообразна реализация проектов по строительству новых или модернизации существующих волоконно-оптических линий связи (ВОЛС). В настоящее время на территории РФ имеет место крупномасштабное развертывание новых либо модернизация существующих магистральных транспортных сетей.
5 При этом настоящие потребности в пропускной способности, а также
дальнейшее стратегическое планирование, которое выполняют операторы связи,
полностью определяют целесообразность использования на транспортной сети
аппаратуры со спектральным разделением. В итоге, на этапе планирования сети
операторы связи с учетом дальнейшего перспективного развития и организации
требуемой пропускной способности рассматривают именно аппаратуру со
спектральным разделением.
При этом широкомасштабное внедрение оптических технологий продолжает оставаться определяющим для современного этапа развития сетей связи операторов не только в России, но и во всем мире.
Планируемые в настоящее время волоконно-оптические магистрали имеют значительную протяженность и значительное количество узлов. Не полностью использованные возможности волокна, равно как и их переоценка ведет к увеличению стоимости реализации проекта При этом принципы построения магистральной транспортной сети в каждом конкретном случае могут отличаться. Кроме того, в последнее время определились основные тенденции межоператорского взаимодействия по вопросам организации транспортной сети, которые в силу высоких капитальных затрат на строительство новых ВОЛ С предполагают следующие способы:
в ыкуп оптических волокон;
а ренда оптических каналов.
Например, между операторами связи существует договоренность по вопросу купли-продажи ОВ в существующем ОК, принадлежащем одному из операторов. По какой-либо причине оператор, выкупающий ОВ не будет иметь возможность по размещению своей аппаратуры на существующих объектах оператора владельца ОК. В этом случае возникает необходимость в размещении аппаратуры на собственных удаленных объектах, либо требуется выполнить запрос на
технические условия у владельцев ближайших расположенных помещений, либо это вынуждает вести строительство собственных объектов. Независимо от варианта развития требуется выполнить расчет регенерационной секции, учитывая расположение необслуживаемых регенерационных пунктов (НРП).
При любом из возможных вариантов развития интересы операторов связи по вопросам расположения точек доступа к ресурсам транспортной сети, а также размещения оборудования усиления или регенерации совпадают в исключительных случаях. Таким образом, это вынуждает вести самостоятельное строительство отводов от магистрального волоконно-оптического кабеля и требует дополнительного пересчета протяженности регенерационной секции. Данный вопрос требует достаточно серьезного подхода для оптимального использования возможностей аппаратуры и сокращения капитальных затрат.
Развитие магистральной транспортной сети (строительство или модернизация) предполагает, что заказчик управляет проектом до ввода объекта в эксплуатацию. Однако производители оборудования, которые используют для расчета сети специальное программное обеспечение, в исключительных случаях предоставляют его во внешнее пользование, либо с продуктом поставляют демонстрационные версии, ограниченные по своим функциональным возможностям. Например, это могут быть версии, которые позволяют специалистам оценить вопрос модернизации сети, ограничивая при этом возможность планирования новой ВОЛС. Несмотря на значительные финансовые затраты, этап планирования сети в вопросе ее расчета возлагается на производителя или поставщика оборудования только лишь из-за того, что операторы связи не имеют независимого инструмента для достаточно точного инженерного расчета ВОСП-СР с учетом ее основных характеристик.
Поскольку, современные высокоскоростные ВОСП базируются на технологии спектрального разделения оптических каналов, мощность, вводимая в
7 оптическое волокно (OB), представляет собой суммарную мощность каждого
оптического канала, то для таких систем характерно использование оптического
излучения высокого уровня. Повышение мощности приводит к тому, что
оптическая среда передачи начинает характеризоваться нелинейностью, которая
проявляет себя в виде дополнительных эффектов, обеспечивающих условия, в том
числе, и для уширения импульса во времени и, как следствие, сокращение
протяженности регенерационной секции. Главным образом, это нелинейная
фазовая модуляция (фазовая самомодуляции (ФСМ) и фазовая кросс-модуляция
(ФКМ)).
Таким образом, при внедрении ВОСП-СР технические специалисты операторов связи сталкиваются с вопросом оценки степени влияния данных эффектов на протяженность регенерационной секции. До настоящего времени операторы связи не владеют системным подходом, который позволил бы оценить предельную протяженность элементарных кабельных участков и регенерационной секции в целом, и, как следствие, наиболее оптимальным образом распределить аппаратуру НРП.
Предложенные к настоящему времени подходы для оценки возможности ВОСП преодолевать протяженные участки регенерации, главным образом могут быть использованы при расчете параметров одноканальных ВОСП и не учитывают влияние вышеуказанных эффектов, вносимых значимый вклад в изменение оптического сигнала при его распространении по ОВ. Вопрос расчета протяженности ВОСП-СР является актуальным и требует детального рассмотрения, поскольку на параметры сигнала (мощность, код передачи) накладываются дополнительные ограничивающие факторы.
Исследование и разработка методов оценки предельной протяженности регенерационной секции ВОСП-СР являются актуальными в современных условиях увеличения потребности в пропускной способности. Для
8 многоканальных ВОСП, экономическая эффективность которых неоспорима,
характерны как механизмы, снижающие помехоустойчивость, свойственные
одноканальным ВОСП, так и механизмы, связанные со спектральным
Оценочные методы определения предельной протяженности регенерационной секции ВОСП-СР
При оценке протяженности регенерационной секции следует принимать во внимание форму импульсов на приеме, которая будет изменяться при передаче по оптическому волокну (ОВ). Одной из причин искажения формы импульса является хроматическая дисперсия, которая характеризует распределение мощности оптического импульса по различным длинам волн, т.е. мощность сосредоточена в некотором диапазоне. При этом величина диапазона определяется шириной спектральной линии источника излучения и собственной шириной спектра сигнала. Ширина спектральной линии источника излучения АЛШЛ современных полупроводниковых лазеров и светодиодов может иметь значения в широком диапазоне значений в зависимости от типа применяемого излучателя. Для ВОСП характерно применение узкополосных источников оптического излучения для передачи высокоскоростных сигналов, т.е. ширина спектра сигнала преобладает над АЛтл. Наряду с этим, передача может осуществляться, на относительно низких скоростях, тогда АХсигн АЛизл. Тем не менее, для современных ВОСП более применим вариант, когда АХсигн АЛтл, либо значения этих величин одного порядка.
Работа в составе системы, использующей спектральное разделение каналов, предъявляет дополнительные требования к спектру оптических передатчиков, зависящие от вида ВОСП-СР. Наиболее жесткие требования предъявляются к передатчикам, работающим в системах плотного спектрального разделения (DWDM) и системам спектрального разделения высокой плотности (UDWDM).
Различие данных систем определяет величина канального интервала. Считается, что системы, использующие 50ГГц канальный план, относятся к стандарту DWDM, а 25ГГц канальный план - к UDWDM. Поэтому в таких системах часто применяют DFB-лазеры (лазеры с распределенной обратной связью). Оптическая обратная связь в таких лазерах создается дифракционной решеткой, выполненной на поверхности активного элемента лазера. Это обеспечивает одночастотный режим генерации с шириной спектральной линии на половине высоты менее ЮОМгц, при этом коэффициент подавления боковых мод составляет 40дБ. (Коэффициентом подавления боковых мод называется отношение мощности главного пика к мощности ближайшей боковой моды).
Главный недостаток полупроводниковых лазеров - чувствительность длины волны излучения к изменению температуры. Изменение длины волны источников света в системах DWDM не должно превышать 0,05нм во всем диапазоне рабочих температур, поэтому необходима их термическая стабилизация, что увеличивает стоимость всей системы. От подобного недостатка свободны волоконные и твердотельные лазеры с объемным резонатором. Наибольший интерес для приложений представляют эрбиевые лазеры, генерирующие излучение в спектральной области 1,53 - 1,62мкм. Они накачиваются лазерными диодами и представляют собой эффективные и стабильные источники света для систем со спектральным разделением [24].
В первых волоконно-оптических передатчиках электрические и электроннооптические элементы представляли собой отдельные модули. Современные передатчики имеют гибридную конструкцию. Лазеры и интегральные микросхемы, модулирующие излучение, объединены в единый компактный модуль, что позволяет достичь больших частот модуляции и высокой надежности. Такой модуль является электроннооптическим преобразователем, в котором интенсивность выходного светового сигнала модулируется входным цифровым электрическим сигналом. При низких скоростях передачи модулируется управляющий ток (лазеры с внутренней модуляцией), при высоких - непосредственно оптический сигнал (лазеры с внешней модуляцией). Передатчик для одного канала обычно представляет собой лазер с распределенной обратной связью и выходной мощностью в волокне не менее ОдБм (1мВт), а также модулятор. При высоких частотах модуляции модулятор обычно внешний.
Современная интегральная оптика позволяет создавать недорогие и удобные в эксплуатации оптические передающие модули, объединяющие в одном кристалле лазер, модулятор и полупроводниковый усилитель. Разработаны оптические передающие модули, объединяющие мультилазеры, одновременно генерирующие сигналы на нескольких длинах волн, мультиплексор и полупроводниковый оптический усилитель мощности.
Иногда за лазером устанавливают регулируемый аттенюатор, плавно уменьшающий мощность лазера. Степень ослабления сигнала лазера выбирается исходя из характеристик первого регенератора в линии связи. В случае, когда одновременно используют несколько передатчиков с разными длинами волн, для выравнивания спектрального распределения мощности также требуется применение соответствующих аттенюаторов.
Точные методы, основанные на решении нелинейного уравнения Шредингера
Несмотря на то, что ВОСП-СР применяются на сетях уже достаточно значительный период времени, достаточно простого и точного инженерного подхода современные методы оценки не предлагают. Тем не менее, существует достаточно хорошо разработанная физическая основа, учитывающая основные механизмы, влияющие на распространение оптического сигнала, которые легли в основу сформированного обобщенного уравнения распространения [10]:
Возвращаясь к выражению (1.21), определим значение остальных слагаемых для изменения формы импульса оптического сигнала. Член пропорциональный р3 характеризует кубическое слагаемое в разложении постоянной распространения Р(со) в ряд Тейлора окрестности со0: Р(со)= р0 ч-Гш-оОоЖ +-fco-co0;2P2 + -fco-cDo;3p3 +-, (1-23) 1 о где: Ро = с/нр da" ;(1.24) и описывает дисперсионные эффекты высшего порядка, которые становятся важными для сверхкоротких импульсов. Член, пропорциональный 2/ характеризует первую производную СОг медленно меняющейся части Рж нелинейной поляризации. Этот член вызывает самокручение крыла импульса (образование ударной волны огибающей). Последний член уравнения, пропорциональный TR, возникает как результат запаздывающего нелинейного отклика и описывает эффект вынужденного комбинационного рассеяния (ВКР).
Данное уравнение выведено из уравнений Максвелла, описывающих электромагнитное поле при следующих ограничениях: не линейная часть вектора поляризации может быть представлена как малое возмущение; раз ница показателей преломления сердцевины и оболочки является малой величиной; о гибающая оптической волны является медленно меняющейся; по ляризация оптического поля поддерживается при распространении по ОВ.
Для решения дифференциальных уравнений применяют методы численного интегрирования. Далее рассмотрим два наиболее распространенных методов интегрирования: метод Эйлера и метод Рунге-Кутта.
Метод Эйлера заключается в следующем. Дифференциальное уравнение y =f(x,y) определяет на плоскости так называемое поле направлений, т.е. в каждой точке плоскости, в которой существует функция fix,у), задает направление интегральной кривой уравнения, проходящей через эту точку. Пусть требуется решить задачу Коши, т.е. найти решение уравнения y =f(x,y), удовлетворяющее начальному условию у(х0) = у0. Разделим отрезок [х0,х] на п равных частей и положим (Х-х0)/п = s (s — шаг изменения аргумента). Допустим, что внутри элементарного промежутка от х0 до х0 + s функция у сохраняет постоянное значение f(x0,y0). Тогда у} -у0 s- f(x0,y0), где ух -значение искомой функции, соответствующее значению х, = х0 + s. Отсюда получаем Уі y0+s- f(x0,у0). Повторяя эту операцию, получим последовательные значения функции: У2 -yi+s-f{x1 yi), УЗ У2+5-Лх2 У2), Ум -Ук+я-Лхк Ук)-Таким образом, можно приближенно построить интегральную кривую в виде ломаной с вершинами Мк(хк,ук), где хк+1 = хк + Ахк, ук+1 « ук + s f{xk,yk).
Следующим методом численного интегрирования дифференциальных уравнений является метод Рунге-Кутта. Пусть функция у определяется дифференциальным уравнением у = f(x,y) при начальном условии y{xQ)= yQ При численном интегрировании такого уравнения методом Рунге-Кутта определяют четыре числа: к, =s-f(x,y), к2 =s-f х + -,у + у 2 С s к k3=s-f х + —,у + — I 3 J{ 2 2 У к4 =s-f(x + s,y + k3). Если положить у(х + s) = у(х) + Лу, то можно доказать, что Ау0 -(&, + 2к2+2к3 +Ы) [48]. 6 Таким образом, точные методы, безусловно, могут быть использованы для решения задачи определения предельной протяженности регенерационной секции. Тем не менее, процесс их применения специалистами операторов связи является трудоемким. Выводы к главе 1
В настоящей главе был выполнен анализ сложившейся к настоящему времени ситуации, тенденций развития современных транспортных сетей операторов связи, а также преимущества и недостатки существующих методов проектирования современных высокоскоростных систем передачи, что предопределило необходимость создания достаточно простой и в тоже время точной методики расчета предельной протяженности регенерационнои секции ВОСП-СР, которая отсутствует до настоящего времени как инструмент инженерного планирования транспортной сети.
Зависимость между отношениями сигнал/шум в оптической и электрической области
Поскольку регенерация сигнала связана с переходом из оптической в электрическую область.
При оценке предельной протяженности регенерационной секции, либо коэффициента ошибок на приеме следует установить однозначную зависимость между отношением сигнал/шум в оптической и электрической областях.
Оптический фотоприемник преобразует входные оптические сигналы в электрические и осуществляет таким образом их демодуляцию. Фотоприемник должен быть полностью совместим с передатчиком как по спектральной области чувствительности в пределах номинальных длин волн, так и временным характеристикам модуляции излучения. Кроме того, фотоприемник должен обладать устойчивостью к ошибкам, которые могут возникнуть в сигнале при прохождении других оптических компонентов. Оптический сигнал подается на фотоприемник непосредственно из волокна, что обеспечивается традиционным способом - их торцевой стыковкой. Полученный на фотоприемнике электрический сигнал необходимо усилить до требуемого уровня, внеся при этом как можно меньше шумов. Может понадобиться также электронная фильтрация, для сглаживания эффективного частотного отклика усилителя. Все эти операции обычно выполняются одним гибридным модулем (включающим и модуль приемника), на который поступает входной оптический сигнал из волокна. Модуль формирует на выходе отфильтрованный электрический сигнал, который затем требуется соответствующим образом демодулировать. Сложность процесса демодуляции зависит от используемой технологии модуляции. Например, при использовании технологии временного разделения необходимо выделить из поступившего сигнала с игналы синхронизации, для чего могут использоваться различные схемы выявления и исправления ошибок. Обычно в качестве фотоприемников используется два типа фотодиодов: PIN-фотодиоды и лавинные фотодиоды APD (Avalanche Photodiode). PIN-фотодиоды работают со стандартными низковольтными источниками питания (5В), но они менее чувствительны и имеют более узкую область спектральной чувствительности по сравнению с лавинными фотодиодами. До появления лавинных фотодиодов высокоскоростные PIN-фотодиоды использовались на линиях связи со скоростями передачи 10 Гбит/с и 40 Гбит/с. Лавинные фотодиоды в основном применяются на линиях связи большой протяженности, где оправданы их высокая стоимость и значительно более сложные схемы регистрации оптических сигналов. Кроме того, во многих случаях использование фотоприемника с лавинным фотодиодом позволяет отказаться от оптического предусилителя, необходимого в фотоприемнике с PIN-фотодиодом.
Важнейшие характеристики при выборе фотоприемника - это спектральная чувствительность (отношение силы тока к мощности оптического сигнала A/W в зависимости от длины волны), пороговая чувствительность (уровень входного сигнала, при котором он уже перестает различаться из-за шумов фотоприемника), спектральная и электрическая полосы пропускания, динамический диапазон, уровень шумов. Допустимое значение каждой характеристики фотоприемника зависит от его конкретного применения. Например, шумовые характеристики становятся более значимыми, когда перед фотоприемником установлен оптический предусилитель большой мощности. Кроме этого, следует обратить внимание на необходимость оптической фильтрации - такой же, как и в демультиплексоре - для уменьшения усиленной спонтанной эмиссии [40].
Поскольку отношение сигнал/шум в электрической области (Q-фактор) определяется как отношение тока сигнала к току суммарной помехи Q = Tbn— ,(2.24) то, с учетом того, что ток фотодиода прямо пропорционален падающей на фотодиод оптической мощности р : r\q_ hv ФД , Ропт (2-25) где: г\ -квантовая эффективность (г 1 и определяет отношение среднего числа электронов, рожденных фотоном, к среднему числу падающих на поглощающую зону фотонов); q = 1,6 10" Кул - заряд электрона; h - постоянная Планка; v - частота падающего излучения, отношение сигнал/шум в оптической области равно отношению сигнал/шум в электрической областиКс =КС =Q. Данное равенство можно приближенно использовать при расчетах.
Таким образом, на выходе оптического тракта ВОСП (непосредственно перед оптоэлектронным преобразованием) должна быть обеспечена некоторая величина отношения сигнал/шум, связанная с коэффициентом ошибок выражением [12]:
Определение длительности импульса на выходе оптической системы
Используя предложенный в настоящей работе подход, выполним имитационное моделирование ВОСП-СР со следующими параметрами: ЮГбит /с - скорость передачи цифрового сигнала; X = 1,55 мкм - длина волны оптической несущей сигнала; АА,ні7=0Д нм - ширина спектра источника оптического излучения; NF - 6,8 дБ - шум-фактор оптического усилителя; адоп = 3 дБ - дополнительный запас, связанный с временным ухудшением характеристик ОВ; аов = 0,25 дБ / км - километрическое затухание оптического волокна; ос = 0,3 дБ - затухание разъемного соединения; анс = ОД дБ - затухание неразъемного соединения; Ктр - 5 км - средняя строительная длина волоконно-оптического кабеля; ПС G = 17 коэффициент хроматической дисперсии для волокна G.652 на х км нм длине волны 1,55мкм; Жзфф - 80 мкм2 - эффективная площадь моды OB G.652; YLC а =4 - коэффициент хроматической дисперсии для волокна G.655 на 1 км-нм длине волны 1,55мкм; Жэфф -60 мкм2 - эффективная площадь моды OB G.655; С = 0 - коэффициент линейной фазовой модуляции.
Предложенный подход позволяет операторам связи независимо оценивать возможности планируемых ВОСП-СР, рассчитывать степень влияния основных 107 факторов, влияющих на распространение оптического сигнала. Безусловно, в зависимости от решаемых задач данный подход, следует применять по-разному: для протяженных ВОЛС (без необходимости организации регенерационных пунктов в промежуточных узлах) протяженность каждого ЭКУ, как правило, одинакова или на сетях, где существуют требования к организации пунктов на существующих объектах сети, требуется индивидуальный расчет каждого ЭКУ. Преимущество предложенного подхода заключается в его универсальности: одновременный расчет нескольких механизмов снижения качества передаваемого сигнала. Поэтому достаточно владеть информацией о параметрах планируемой ВОЛС, чтобы оценить качество сигнала - коэффициент ошибок или возможную предельную протяженность ВОЛС при требуемом качестве к передаваемому сигналу, а это предоставляет возможность выполнять независимый расчет полностью контролировать этап планирования транспортной сети, учитывая большинство основных особенностей ВОЛС.
Кроме того, реализация метода является достаточно просто решаемой задачей, поскольку все расчетные выражения организуются стандартным образом в любом математическом пакете или с помощью средств основных языков программирования. По результатам расчетов на основе разработанного в настоящей работе метода:
1. На рисунке 4.3 показана динамика роста коэффициента ошибок от количества каналов при канальном интервале 50ГГц. В данном примере и далее значение коэффициента ошибок отложено по логарифмической шкале. Рис. 4.3
Наглядно видно как сокращается предельная протяженность регенерационной секции при увеличении количества оптических каналов (повышение суммарной мощности агрегатного сигнала). Безусловно, основной вклад при скоростях, соответствующих уровню СТМ-64, вносит критерий скорости передачи цифрового сигнала.
2. На рисунке 4.4 представлена зависимость предельной протяженности регенерационной секции для ВОЛС, построенной на ОК с ОВ, параметры которого соответствуют рекомендации МСЭ-Т G.655. 109 Рис. 4.4 Из рисунка 4.4 видно, что качество передаваемой информации достаточно равномерно достигает коэффициента ошибок 10"12. Это связано с низким значением коэффициента хроматической дисперсии, который также обеспечивает увеличение предельной протяженности регенерационнои секции по критерию скорости передачи цифрового сигнала.
3. На рисунках 4.5 и 4.6 представлены графические зависимости предельной протяженности регенерационнои секции от параметра линейной фазовой
