Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор основных параметров современных оптических систем передачи 15
1.1 Факторы, ухудшающие соотношение сигнал/шум в оптическом волокне 17
1.1.1 Затухание 18
1.1.2 Хроматическая дисперсия
1.1.4 Четырхволновое смешение 26
1.1.5 Самомодуляция 27
1.1.6 Перекрстная модуляция 28
1.1.7 Вынужденное рассеяние Рамана и вынужденное рассеяние Брюллиена
1.2 Методы компенсации нелинейных эффектов в оптическом волокне 32
1.3 Классификация и исследование проблем использования многоуровневых форматов модуляции 39
1.4 Некогерентное детектирование 41
1.5 Когерентное детектирование 44
1.6 Выводы по главе 1 50
2 Метод учета помех в когерентных оптических системах передач 51
2.1 Разработка метода оценки OSNR для протяженной DWDM-системы 51
2.2 Разработка метода оценки OSNR для магистральной системы с ROADM-мультиплексорами 62
2.2.1 Исследуемая модель системы с магистральными мультиплексорами ввода вывода 62
2.2.2 Переходные помехи в оптических кросс-коммутаторах 63
2.2.3 Метод оценки OSNR для системы с ROADM-мультиплексорами 66
2.3 Выводы по главе 2 69
3. Восстановление фазовых состояний сигналов многоуровневой оптической модуляции в когерентных системах 70
3.1 Методика расчета предельной ширины спектра оптического гетеродина 70
3.1.1 Схема восстановления фазовых состояний 72
3.1.2 Максимально правдоподобная оценка начальной фазы сигнала 76
3.2 Алгоритм восстановления фазовых состояний сигнала 79
3.4 Выводы по главе 3 84
4 Применение полученных в диссертационной работе результатов 86
4.1 Погрешность вычислений методики оценки OSNR для магистральной DWDM системы 94
4.3 Выводы по главе 4 98
Заключение 99
Список используемых сокращений 101
Список используемых источников 103
- Четырхволновое смешение
- Классификация и исследование проблем использования многоуровневых форматов модуляции
- Разработка метода оценки OSNR для магистральной системы с ROADM-мультиплексорами
- Алгоритм восстановления фазовых состояний сигнала
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Высокоскоростные оптические системы в настоящее время широко используются для транспортировки трафика различного назначения на протяженные расстояния. Основное направление развития систем оптической связи связано с увеличением скорости передачи и использованием когерентного приема. Когерентные оптические системы имеют следующий ряд преимуществ:
Возможность наращивания скорости в ограниченной полосе частот (25, 50, 100 ГГц) оптических каналов систем с плотным мультиплексированием по длине волны (DWDM) за счет использования многоуровневых форматов модуляции.
Внедрение когерентного гомодинного приема в системы передачи совместно с блоком цифровой обработки сигнала для исключения из цепочки оптических компонентов компенсаторов дисперсии.
Достижение скорости в когерентных системах 1 Тбит/с на оптический канал за счет использования технологии супер-каналов, построенной на мультиплексировании оптических поднесущих от одного общего источника, отдельно модулируемых информационными составляющими.
При оценке энергетических параметров оптических систем исследуются помехи нелинейного происхождения различного характера и моделируются отдельно друг от друга. Однако в виду растущих потребностей в пропускной способности возрастает и значимость совместной оценки влияния оптических шумов, а также характеристик оптических когерентных гетеродинов.
Таким образом, разработка методов оценки помехоустойчивости позволит проектировать и расширять оптические мультисервисные транспортные сети различного масштаба (магистральные, внутризоновые, местные), служащие базой для развертывания множества широкополосных услуг и сервисов.
Степень разработанности темы. При решении указанных задач в рамках
диссертационного исследования использовались труды отечественных и зарубеж
ных ученых, внесших значительный вклад в различные аспекты: в области по
строения оптических систем - О.Е. Наний, В.Н. Трещиков, В.Н. Листвин; в обла
сти учета нелинейных оптических эффектов - G.P. Agrawal, В. Chomycz,
R.I. Killey; в области компенсации нелинейных эффектов - X. Zhou, P. Bayvel,
A.J. Lowery, D.V. Plant, X. Liu; в области исследования многоуровневых форма
тов модуляции - Н. Takahashi, Н. Tanaka, G. Bosco, V. Curri , A. Carena, P.J. Win-
zer; в области цифровой обработки сигнала –В. Sklar, J.H Kanh, Ezra Ip, К.
Kikuchi, S.J. Savory, M.G. Taylor; в области исследования протяженных суперканалов - W. Shieh, Т. Kobayashi, I. Djordjevic, С. R. Doerr.
При проектировании современных оптических систем не учитывается совместное влияние продуктов нелинейности, таких как стимулированное рассеяние Рамана, четырехволновое смешение, шум усилителей, а также фазовая кросс-модуляция (ФКМ) и фазовая самомодуляция. При этом накопление хроматической и поляризационно-модовой дисперсии компенсируется посредством цифровой обработки сигнала.
Оценка помехоустойчивости для DWDM-систем производится по соотношению сигнал-шум (OSNR), которое в свою очередь снижается за счет влияния помех, не рассмотренных в стандартизированной методике Международного союза электросвязи (МСЭ-Т). Конечное значение OSNR может варьироваться в пределах 6 дБ, таким образом, в реальных системах связи точность оценки будет зависеть от величины нормировки, а не от реально накопленного оптического шума. Методики оценки OSNR для магистральных систем с использованием ре-конфигурируемых мультиплексоров ввода-вывода (ROADM) на сегодняшний день описаны в одной методике, где указывается, что уменьшение OSNR обуславливается сужением частотных характеристик оптических фильтров, а также штрафами за нелинейные искажения и случайные переключения оптических каналов. Таким образом, точность оценки вероятности в оптическом тракте снижается с увеличением числа сетевых элементов.
В ряде работ показаны преимущества высокоскоростных одноканальных систем, где высокие требования к OSNR обуславливаются использованием многоуровневых форматов модуляции. Внедрение одноканальных систем на протяженных магистральных участках позволяет увеличить емкость оптической сети. Использование блоков цифровой обработки сигналов (ЦОС) в системах со скоростью в канале более 100 Гбит/с компенсирует влияние хроматической и поля-ризационно-модовой дисперсии. Результаты моделирования таких систем показывают, что влияние нестабильности оптического гетеродина оказывает существенное влияние на вероятность ошибки и OSNR.
Таким образом, актуальной задачей в рамках повышения помехоустойчивости является разработка методов оценки помех в когерентных оптических системах, позволяющих производить совместный учет оптических шумов, а также оценивать влияния от вклада нестабильности оптического гетеродина.
Объектом исследования являются оптические когерентные системы передачи, энергетический потенциал которых связан с влиянием помех различного рода, приводящим к снижению значения OSNR.
Предметом исследования являются методы оценки оптических шумов различного происхождения, в том числе и нестабильности фазы когерентного гетеродина, влияющих на восстановление фазовых состояний КАМ-сигнала (квадратурная амплитудная модуляция).
Целью исследования является развитие методологии повышения эффективности оценки когерентных оптических систем путем совместного учета помех, возникающих при передачи цифрового сигнала по протяженным оптическим каналам.
Задачи исследования
-
Разработка метода оценки, позволяющего определить OSNR, основанного на совместном учете помех, влияющих на оптический сигнал в магистральных DWDM-системах.
-
Разработка метода оценки OSNR в магистральных ROADM мультиплексорах, основанного на учете частотных характеристик оптических фильтров.
-
Разработка методики расчета предельной ширины спектра оптического гетеродина в одноканальной системе, учитывающего нестабильность когерентного источника излучения.
-
Разработка алгоритма восстановления фазовых состояний электрического сигнала при использовании многоуровневого формата оптической модуляции КАМ-16 с мультиплексированием по поляризации (DP-16QAM), учитывающего порядок фильтра детектирующего устройства при фиксированной нормированной ширине спектра оптического гетеродина.
Научная новизна работы заключается в следующем:
-
Разработан метод оценки оптического отношения сигнал-шум (OSNR), основанный на стандартизированной методике Международного союза электросвязи (МСЭ-Т), отличающийся совместным расчетом помех четырехволнового смешения и фазовых искажений, а также стимулированного рассеяния Рамана в заданном частотном диапазоне, позволяющий обеспечить повышение эффективности расчета вероятности ошибки при проектировании протяженных волоконно-оптических DWDM-систем.
-
Разработан метод оценки OSNR в магистральных ROADM, основанный на эффекте cужения полосы пропускания оптических фильтров, отличающийся учетом потерь, вызванных коммутацией оптических каналов, позволяющий повысить эффективность оценки вероятности ошибки в оптическом тракте.
-
Разработана методики расчета предельной ширины спектра оптического гетеродина в одноканальной системе, основанный на критерии нестабильности когерентного источника излучения, отличающийся учетом фазового дрожания гетеродина, позволяющий определять вероятность ошибки по ширине спектра излучения гетеродина.
-
Разработан алгоритм восстановления фазовых состояний электрического сигнала при использовании оптической модуляции DP-16QAM, основанный на критерии минимума вероятности ошибки, отличающийся снижением фазовых искажений сигнала, позволяющий подобрать количество коэффициентов фильтра детектирующего устройства при фиксированной нормированной ширине спектра когерентного гетеродина.
Теоретическая и практическая ценность полученных результатов состоит в возможности использования разработанных методов при проектировании протяженных систем оптической связи, расчете их эксплуатационных параметров. Расширения методологии при оценке оптического бюджета сетей позволит увеличить точность расчета вероятности ошибки. Для одноканальных систем связи со скоростью в канале выше 100 Гбит/с методика позволяет использовать запас отношения сигнал-шум при детектировании сигнала, который может быть использован для повышения качества и надежности системы передачи, увеличения максимального расстояния передачи или повышения емкости системы связи.
Методология и методы исследования. В работе использованы основные положения теории оптических волноводов, теории цифровой связи, теории помехоустойчивости систем передачи дискретных сообщений, цифровой обработки сигналов. При разработке программной части применялись методы математиче-
ского и компьютерного моделирования, в том числе функциональная парадигма программирования.
Положения, выносимые на защиту:
-
Метод оценки OSNR, учитывающий возможность совместного расчета помех четырехволнового смешения, фазовых искажений, а также стимулированного рассеяния Рамана в заданном частотном диапазоне для протяженных волоконно-оптических систем DWDM.
-
Метод оценки OSNR в магистральных ROADM на основе эффекта cужения полосы пропускания оптических фильтров.
-
Методика расчета предельной ширины спектра оптического гетеродина в одноканальной системе, основанный на критерии нестабильности когерентного источника излучения.
-
Алгоритм восстановления фазовых состояний электрического сигнала при использовании оптической модуляции DP-16QAM, основанный на подборе порядка фильтра детектирующего устройства.
Достоверность полученных результатов основана на использовании в теоретических построениях законов и подходов, справедливость которых обще-признана, а также известного и корректного математического аппарата; вводимые допущения мотивированы фактами, известными из практики. Принятые к исследованию методики и алгоритмы протестированы на наличие основных свойств, характеризующих описываемые нелинейные эффекты и нестабильность оптического гетеродина.
Апробация результатов. Основные результаты работы обсуждались на: международной IEEE-сибирской конференции по управлению и связи «Сибкон», Омск, 2015; международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы электронного приборостроения», Новосибирск, 2014; международной научно-технической конференции «Проблемы техники и технологий телекоммуникаций», Казань, 2014; российской научно – технической конференции, Новосибирск, 2007, 2009, 2011, 2012, а также на научных семинарах СибГУТИ.
Публикации. Результаты диссертационной работы отражены в 13 публикациях, в том числе в 3 статьях в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК, и в 10 публикациях в сборниках материалов международных и всероссийских конференций.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка и приложений. Работа изложена на 152 страницах машинописного текста, содержит 20 таблиц, 58 рисунков, библиографический список из 202 источников, приложения на 18 страниц.
Четырхволновое смешение
Ортогональные моды имеют разную скорость распространения, и это является причиной того, что поляризация будет меняться по мере прохождения света волокна. Отследить изменение вектора поляриации возможно с помощью сферы Пуанкре (рис. 1.3) [105, 136]. Сфера Пуанкре является визуальным представлением поляризации света, которая представлена точкой в сфере с тремя осями: вертикальная поляризация, 45 градусов поляризация и правильная круговая поляризация. Расположение точки в каждой из этих осей показывает направление поляризации. Можно представить различные типы поляризации для различных точек в сфере, также как и представить различные комбинации двух или трх начальных поляризаций.
Различие между входным и выходным импульсами будет являться групповой задержкой. При построении протяженных оптических линий, использование волокон с отрицательной дисперсией может уменьшить хроматическую дисперсию, в то время как, данный способ не может быть применен для компенсации ПМД. Проблема состоит в том, что хроматическая дисперсия более или менее является величиной постоянной при различных температурах и временных интервалах. Для ПМД это не присуще, т.к данный эффект не является собственной характеристикой идеального волокна. При этом стоит отметить, что ПМД является величиной стохастической. Высокое значение данной величины наблюдалось в оптических волокнах, работающих на ВОЛС в период с 1998 года по 2000-е.
Согласно табл. 1.2 можно привести сводные значения поляризационно-модовой дисперсии на различных скоростях в зависимости от длины оптического волокна. Для борьбы с ПМД высоких порядков используется цифровая компенсация на приемнике [71, 175].
В таблице для справки также приведены значения поляризационно-зависимых потерь. Данный параметр показывает максимальное различие в затухании сигнала для двух ортогональных состояний вектора поляризации. С развитием технологии плотного волнового мультиплексирования (DWDM) измерения параметра поляризационно-зависимых потерь становится также важным, чтобы гарантировать требуемые характеристики и своевременно выявлять критические участки и узлы ВОСП [6, 117].
С развитием высокоскоростных систем и переходе к 40, 100 и 400 Гбит/с системам возникает необходимость борьбы с накоплением поляризационно-модовой дисперсии, которая образуется за счет неравенства скоростей распространения быстрой и медленной огибающей в оптическом волокне.
В когерентных оптических сетях, в виду развития блоков цифровой обработки сигнала, используется цифровые компенсаторы хроматической и поляризационно-модовой дисперсии. Эквалайзер имеет следующий вид передаточной функции [71, 175]: где , , , весовые коэффициенты матрицы Джонса [174]. Анализ систем передачи с использованием оптической амплитудой модуляции показывает, что формат NRZ имеет хорошую устойчивость к ПМД на скорости 40 Гбит/с по сравнению RZ, а также форматом фазовой модуляции DPSK [144].
За счет использования счетчика, учитывающего вектор поляризации возможно достигнуть компенсации дисперсии. За счет компенсации предел групповой времени задержки увеличивается с 8 пс (нескомпенсированных) до 28 пс (с использованием компенсатора ПМД) [158]. В экспериментальной установке оптический NRZ сигнал со скоростью 43 Гбит/с пропускают через контроллер поляризации и эмулятор ПМД, после чего производится анализ полученных данных.
На рис. 1.4 оценка ПМД производится с помощью параметра дифференциальной групповой задержки (ДГЗ).
На сегодняшний день существуют различные методы компесацнии ПМД, описанные в научных статьях [50, 122, 127, 123, 188]. Установлено, что для одноканальной системы на скорости 112 Гбит/с с использованием оптического формата модуляции PDM-OFDM получена устойчивость более чем 100 пс [50, 123].
Нелинейные эффекты являются следствием увеличение уровня мощности сигнала с соответствующим увеличением плотности мощности в сердцевине волокна. Интенсивность мощности волокна достигается увеличением мощности сигнала и/или уменьшением эффективного сечения волокна, формула 1.9:
Четырехволновое смешение возникает в случае, когда происходит нелиненое взаимодействие волн с близкими частотами и, как следствие, появление новых гармоник. Часть появляющихся комбинационных частот попадают в спектральные каналы DWDM, что вызывает перекрестные помехи между каналами. Количество новых появляющихся волн увеличивается с наращиванием числа спектральных каналов. При этом вклад соседних каналов в перекрестные помехи является значительным в виду того, что влияние удаленных спектральных каналов уменьшается за счет нарушения фазового синхронизма [13].
Физической причиной появления данного эффекта является нелинейная восприимчивость третьего порядка [1, 2]. Изучено явление четырехволнового смешения, а также аспект связи данного эффекта с величиной межканальных интервалов в DWDM-системе [67, 176, 189].
Классификация и исследование проблем использования многоуровневых форматов модуляции
Как было показано, нелинейные помехи создают серьезные проблемы для существующих и перспективных оптических линий передач.
Для уменьшения деградации оптического сигнала вследствие влияния помех вводятся различные методы компенсации, такие как, участки с отрицательной хроматической дисперсией [12], когерентный прием [54, 55, 56], FEC-компенсации [19], компенсации нелинейности при цифровой обработке, а также различные виды оптической модуляции с высоким уровнем устойчивости к оптическим помехам при передачи по оптическому волокну [16, 17, 30, 130, 202].
Очевидно, что при прохождении группового оптического сигнала по протяженным волоконным трактам происходит как набег фаз, так и сказывается влияние других нелинейных эффектов на скоростях выше 10 Гбит/с. Особенно это актуально для когерентных оптических систем следующего поколения на скорости от 100 Гбит/с т до 1 Тбит/с.
Известно, что на сетях связи Российской Федерации имеется большое количество оптических кабелей, смонтированных в разные годы, начиная с начала 2000-х. Данное обстоятельство говорит о том, что согласно типовым требованиям МСЭ-Т G.652 от 2009 года, требование для коэффициента ПМД остается равным порядка 0,5 пс/км, в то время как для существующих высокоскоростных систем передач со спектральным разделением канала требования существенно ужесточаются требования в пользу уменьшения данного показателя до значения 0,04 пс/км.
В виду значительного роста производительности систем со спектральным мультиплексированием (до 25Тбит/с) также ужесточаются требования, предъявляемые к нелинейным помехам в оптических секциях [27]. Оценку систем принято производить по таким параметрам как оптическое соотношение сигнал/шум (OSNR), вероятность появления ошибок (BER), а также по величине открытия глаз-диаграммы и величины Q-фактора в оптическом канале.
Для решения поставленной задачи по выработке методики расчета оптического отношения сигнал-шум в системе со спектральным уплотнением каналов будет использована следующая схема, на основе которой производятся дальнейшие расчеты. На рисунке 2.1 представлена исследуемая модель. В спектральных каналах выбирается скорость 40Гбит/с с использованием оптического формата фазовой модуляции QPSK. Количество каналов – 40.
При разработке метода учета помех используется стандартная сетка частот с шагом в 100 ГГц между DWDM-каналами. Спектральные каналы занимают C и L –оптические диапазоны. Данные оптические диапазоны используются для работы в магистральных оптических системах передач.
В оптическом тракте для поддержания уровня оптической мощности на заданном уровне содержатся оптические линейные усилители (ОЛУ). При моделировании системы подразумевается, что хроматическая и поляризационно-модовая дисперсия скомпенсированы в виду того, что современные транспондеры имеют автоматическую коррекцию дисперсии до 70000 пс/нм [12, 30]. На оптических пролетах в DWDM-системе рассматриваются два типа оптических волокон, которые в настоящее время широко используются провайдерами на магистральных сетях Российской Федерации в существующих оптических магистралях ОАО «Ростелеком», ЗАО «Компания Транстелеком» и др. Это одномодовое ступенчатое волокно стандарта G.652 (SMF), а также одномодовое ступенчатое волокно стандарта G.655 (NZDSF). В методике используются равномерные 100-километровые оптические пролеты.
Для определения мощности передачи расчт уровней в каждом оптическом канале производится согласно G.692 [26]: При разработке методике по учету OSNR в DWDM-системе исследуется влияние помех, таких как четырехволновое смешение, фазовая кросс-модуляция, стимулированное рассеяние Рамана, а также спонтанная эмиссия оптических усилителей.
В DWDM-тракте наблюдается вынужденное рассеяние Рамана, как результата взаимодействия между близлежащими волнами. Тем самым, данный эффект снижает бюджет оптической мощности многоволновой системы, «перекачивая» энергию из области коротковолновой в область длинноволновых каналов. За счет широкого спектра помехи (до 16 ТГц) «перекачка» оптической мощности из WDM каналов будет подчиняться зависимости приведенной на рисунке 2.2. в диссертационном исследовании предполагается использовать данную аппроксимированную зависимость для учета влияния стимулированного рассеяния Рамана на DWDM-систему.
Разработка метода оценки OSNR для магистральной системы с ROADM-мультиплексорами
Оптический узел кросс-коммутации (OXC) является основным элементом в оптических DWDM-сетях [28]. Коммутируя длины волн с входных волокон на выходные, OXC вносит гомодинные переходные помехи, которые имеют ту же самую длину волны, как и сигнал и серьезно ухудшают характеристики передачи [53].
Когда оптический сигнал проходит через OXC, множество вкладов переходных помех добавляются к сигналу. Число вкладов, вносимых каждым сигналом на той же самой длине волны, что и исходный сигнал, как и полагается, находится в случайной зависимости от состояния коммутируемых соединений в OXC. Различия задержек оптического распространения и состояние поляризации вкладов переходных помех находится также в случайном порядке, и сдвиг относительно друг друга из-за тепловых и механических колебаний изменяется во времени. Поэтому параметры передачи также изменяются во времени.
Типовая структура представлена на рисунке 2.8. В данном случае коммутатор состоит из N оптических демультиплексоров, M оптических коммутаторов. Каждое из волокон, подключаемых к оптическим демультиплексорам содержит M различных длин волн. Основной сигнал будет интерферировать с (N-1) вкладами переходных помех, получаемых от (N-1) сигналов с длиной волны 1 из других (N-1) входящих волокон, . Это происходит в первую очередь из-за неидеальности оптических коммутаторов. (N-1) вкладов переходных помех можно рассматривать как сгенерированные различными лазерными источниками и поэтому их фазы некоррелированы с и друг с другом.
Таким же образом, когда каждый сигнал с длиной волны 1 демультиплексируется с одного из входящих волокон, их доля будет в каждом из различных (M-1) выходов соответствующего демультиплексора. Если обозначить числом вкладов проникающих от в данном состоянии ОХС, а - число вкладов проникающих от в данном состоянии ОХС, то получим следующее:
В диссертационной работе предполагается, что различия задержек оптического распространения в ОХС превышают время когерентности лазера, то есть . Поэтому все вклады переходных помех, некогерентных друг с другом, некогерентны с сигналом. С фиксированной установкой порога принятия решения, штраф мощности для данного случая определяется [84, 184]: – мощность лазерного относительно шума интенсивности. Максимальный штраф можно вычислить следующим образом обобщая выражение 2.11 и ранее полученные результаты [84]:
После прохождения L кросс-коммутаторов в сети с маршрутизацией длин волн к основному сигналу при детектировании добавляется число вкладов, определяется следующим образом:
Для оценки OSNR в канале с каскадным соединением оптических усилителей и ROADM-мультиплексоров рассматривается случай, когда различия задержек оптического распространения в кросс-коммутаторе превышают время когерентности лазера, т.е. все вклады переходных помех некогеренты друг с другом и некогерентны с сигналом.
Данная методика использует выражение МСЭ-Т G.692 для учета OSNR, содержащего волновых каналов. Обобщая ранее приведенные выражения для учета переходных помех, а также помех, вызванных сужением оптических фильтров в ROADM-мультиплексорах можно получить следующее выражение: где - уровень выходной мощности группового сигнала, дБм; - число волновых каналов в тракте; - потери оптической мощности на расстоянии одного пролета в дБ; – коэффициент шума оптического усилителя, дБ – число пролетов; – коэффициент шума оптического усилителя, дБ; – постоянная Планка, мДжс; – центральная частота оптического группового сигнала, Гц; – оптическая полоса канала, Гц; – отношение оптической мощности каждого вклада переходной помехи к мощности сигнала; – число промежуточных кросс-коммутаторов; – величина Q-фактора; – потери, вызванные сужением полосы оптических фильтров, дБ.
Из анализа рисунка и таблицы можно сделать вывод, что значение OSNR уменьшается быстрее с увеличением числа оптических кросс-коммутаторов. Необходимо также отметить, что при условии различия задержек при распространении оптических путей в OXC меньше, чем время когерентности лазеров, возникают сложные переходные помехи, как когерентные так и некогерентные, которые могут создавать дополнительный штраф мощности.
В данном случае, когда некогерентные помехи взаимодействуют друг с другом следует брать уровень переходных помех не меньше -44 дБ для удовлетворения требования к максимальному штрафу за счет переходных помех [134]. В качестве переменных параметров используются уровень шумов оптических усилителей, количество оптических пролетов, а также количество OXC. Для удовлетворения требуемого уровня BER в оптической системе можно использовать различные значения Q-фактора. 2.3 Выводы по главе 2
В работе предлагается произвести оценку нестабильности ширины излучения лазера, входящего в состав оптического гетеродина на приемнике.
На рисунке 3.1 представлена схема когерентного приемника. Задачей диссертационного исследования является определения предельной ширины излучения лазерного диода (ЛД), что подмешивается к принимаемому оптическому сигналу. Данный групповой сигнал детектируется с помощью цепи фотодиодов (ФД) и поступает на блок восстановления фазовых состояний, после предварительной компенсации дисперсии.
Алгоритм восстановления фазовых состояний сигнала
Расчеты показывают, что для 40-канальной системы предлагаемая методика дает значение OSNR на 2,08 дБ меньше, чем значение, полученное посредством методики МСЭ-Т G.692 после прохождения 7 оптических пролетов по 100 км каждый. Для 80-канальной системы разница между значениями OSNR достигает 1,7 дБ.
Кроме этого, произведем оценку уровня OSNR для магистральной системы содержащей ROADM-мультиплексоры. Во второй главы было получено выражение для оценки OSNR при перекрестном влиянии оптических помех в оптических коммутаторах, а также помехах, вызванных сужением полосы оптических фильтров. центральная частота оптического группового сигнала, Гц; – оптическая полоса канала, Гц; Результаты, полученные с помощью выражения 2.16 и 4.2 сведены в таблицу 4.8 и 4.9. На рисунке 4.3 приведены графические зависимости оценки OSNR для системы с использованием ROADM-мультиплексоров.
Из таблицы 4.8 видно, что выражение 4.2 не учитывает такие параметры как количество оптических портов на кросс-коммутаторах, помехи, вызванные сужением полосы оптических фильтров, а также требуемое значение Q-фактора поставленное в соответствие с уровнем BER. Рисунок 4.3 – Графические зависимости OSNR для системы с ROADM-мультиплексорами
Полученные результаты показывают, что разработанная методика, включающая оценку перекрестных помех в оптических коммутаторах, а также помех, вызванных сужением полосы оптических фильтров, снижает уровень OSNR на величину данных помех, в то время как выражение 4.2 рекомендации МСЭ-Т учитывает только влияние количества оптических каналов в магистральных ROADM-мультиплексорах.
Полученное значение OSNR согласно предлагаемой методике на 2,8 дБ меньше, чем значение OSNR согласно методике МСЭ-Т. Погрешность вычислений методики оценки OSNR для магистральной DWDM-системы Для оценки погрешности предложенного метода оценки OSNR используется показатель общей относительной погрешности [6]: где норма определяется как
Полученные в диссертационной работе методики предполагается сравнить с полученными ранее экспериментальными данными. На рисунке 4.3 представлены теоретические значения, рассчитанные с помощью выражения 2.7. Рассмотрим случай, когда уровень шума оптического усилителя равен 4 дБ.
Как было приведено выше, в конце 7 оптического пролета разница в значении OSNR будет составлять 2,08 дБ. В качестве экспериментальных данных проанализированы результаты ранее проведенных исследований [29, 44, 91, 291]. Обобщая результаты, можно представить полученные зависимости следующим образом. Рисунок 4.4 – Сравнительные графики OSNR
Из рисунка 4.4 видно, что после прохождения группового оптического сигнала через 7 оптических секций существует разница между значениями OSNR полученными с помощью рекомендации МСЭ-Т G.692, а также данными, полученными с помощью предлагаемой в работе методике учета оптических помех в протяженных DWDM-системах, со значением OSNR полученным с помощью эксперимента.
Разница между экспериментальным значением OSNR и значением OSNR полученным с помощью методики составляет 0,49 дБ, а со значением полученным с помощью МСЭ-Т – 2,62 дБ. Для оценки погрешности вычислений согласно 4.1 необходимо все данные перевести в разы. В качестве известного точного решения Aт принимается экспериментальный результат. Результаты сведем в таблицу 4.3. Таблица 4.3 – Результат оценки OSNR для 40-канальной системы
Согласно данным из таблицы 4.3 в результате вычисления оценки погрешности получено, что предлагаемая методика оценки OSNR для протяженных DWDM-систем имеет более низкую погрешность результатов по сравнению с методикой МСЭ-Т. Сравнение методик оценки производилось с экспериментальным данными полученными ранее.
Произведем оценку погрешности вычислений для 80-канальной DWDM-системы. Результаты оценки сведем в таблицу 4.4.
Перспективы дальнейшей разработки темы. Поскольку нелинейные оптические помехи, учтенные в работе, не включают в себя потери на оптических реконфигурируемых коммутаторах на магистралях, то в дальнейшем предполагается устранить данный недостаток путем разработки более сложных методик и алгоритмов накопления оптических помех. Шумы, учтенные в работе, не являются исчерпывающими для оптической системы передач, поскольку в ближайшем будущем предполагается использование многосердцевинных оптических волокон, где добавляются шумовые составляющие от перекрестного влияния сердцевин друг на друга, что представляет поле для перспективного исследования. Помимо этого, планируется рассмотреть влияние ширины спектра излучения гетеродина на супер-каналы и перекрестное влияние каналов в структуре гибкого оптического мультиплексирования (flex-grid), а также системы с использованием многосердцевинных оптических волокон (MCF) в маломодовом режиме передачи для получения скорости 1 Пбит/с и более для внедрения в центры обработки информации (ЦОД).