Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Основные положения для уточнения методики определения хроматической дисперсии при передаче сигналов по OB G-652 и G-655 МСЭ
1.1 Постановка задачи.
1.2 Уточнение исходных данных, связанное с определением хроматической дисперсии в одномодовом оптическом волокне с учетом форматов модуляции .
1.3 Основы распространения сигналов (в форме гауссовского импульса) по ОВ с учетом форматов модуляции.
1.4 Решения, полученные рядом авторов, их недостатки и уточнения в работе,основанные на уточненных исходных данных..
1.5 Рекомендации по уточнению методики расчета хроматической дисперсии в одномодовом ОВ по определению допустимой длины участка РГУ .
1.6 Выводы.
Глава 2. Исследование влияния начальной линейной частотной модуляции и определение длины участка регенерации .
2.1 Постановка задачи.
2.2 Основные положения по распространению гауссовского импульса при наличии начальной линейной частотной модуляции при различных форматах модуляции .
2.3 Определение длины РГУ для 3-го окна прозрачности при наличии хроматической дисперсии и начальной линейной модуляции.
2.4 Возможности использования начальной линейной модуляции для ВОСП-СР.
2.5 Методика определения длины РГУ для ВОСП-СР с учетом начальной линейной модуляции.
2.6 Выводы.
Глава 3. Использование фазовой самомодуляции для реализации передачи гауссовского импульса по ОВ .
3.1 Постановка задачи.
3.2 Методика по расчету совместного действия дисперсии групповых скоростей и фазовой самомодуляции.
3.3 Методика по расчету длины РГУ при совместном действии дисперсии групповых скоростей, начальной линейной и фазовой самомодуляции при ВОСП-СР .
3.4 Выводы.
Глава 4. Методика по расчету отношения сигнал/шум и вероятности ошибки для ВОСП-СР .
4.1 Постановка задачи.
4.2 Рекомендуемые решения по уточненной методике.
4.3 Разработка уточненной методики определения допустимого значения ООСШ для систем ВОСП-СР.
4.4 Уточненная методика расчета отношения сигнал\шум в оптическом и электрическом кагналах.
4.5 Упреждающая коррекция ошибки.
4.6 Предложения по внедрению ВОСП-СР с примерами уточняющих расчетов.
Выводы. Заключение. Список литературы.
- Уточнение исходных данных, связанное с определением хроматической дисперсии в одномодовом оптическом волокне с учетом форматов модуляции
- Рекомендации по уточнению методики расчета хроматической дисперсии в одномодовом ОВ по определению допустимой длины участка РГУ
- Основные положения по распространению гауссовского импульса при наличии начальной линейной частотной модуляции при различных форматах модуляции
- Методика по расчету длины РГУ при совместном действии дисперсии групповых скоростей, начальной линейной и фазовой самомодуляции при ВОСП-СР
Введение к работе
Диссертационная работа посвящена уточнению передаточных характеристик одномодовых волокон волоконно-оптических линий связи (затуханию, дисперсии) и части нелинейных эффектов при переходе на высокие скорости передачи (10-40 Гбит/с) при внедрении спектрального уплотнения ВОСП-СР, корректировке допустимых длин регенерационных участков в зависимости от вида модуляции и самофазовой модуляции.
Широкое внедрение волоконно-оптических линий на сети Российской Федерации (РФ) требует использования оптических кабелей с одномодовыми оптическими волокнами разного типа на магистральном, внутризоновом, городском и сельском-участках сети (транспортной сети и сети доступа) с перспективой внедрения на всех участках сети плотного спектрального уплотнения (DWDM) ВОСП-СР.
Актуальными научными задачами в этом случае являются решения по оптимальному определению длины регенерационных участков на различных типах ОВ с учетом дисперсионных и нелинейных параметров, при которых обеспечивается организация большого числа каналов без ущерба экономическим характеристикам, связанным с переустройством волоконно-оптических линий связи (изменением расстояния между усилителем и регенератором). В известных работах Дж. Гауэра [14 ], Г. Агравала [13,16 ], А.Жирара [96 ], А.Б. Иванова [31 ], P.P. Убайдуллаева [36], В.Н. Листвина и др. [1-30] рассматриваются физические процессы, протекающие при распространении сигналов по оптическому волокну (ОВ). Фундаментальные основы оптических волноводов исследованы в монографиях Д. Маркузе, Х.Г. Унгера, Г. Агравала, А. Снайдера и Дж. Лав, Дж. Гауэра и др [1-30 ]. В приложении к технике оптической связи теория получила развитие в работах Е.М. Дианова, Н.А. Семенова, И.И. Гроднева, А.С. Беланова, Т.А. Черенкова, Алексеева Е.Б., Шарафутдинова P.M., Снегова А.Б. и др. [1-142].
Несколько причин ограничивают широкое применение на стандартном оптическом волокне G-652 спектральное уплотнение по длине волны:
Затухание
Хроматическая дисперсия
Поляризационная дисперсия
Нелинейные эффекты
Согласно исследованиям [16 ] показано, что определяющим фактором при определении длины усилительного или регенерационного участка до скорости передачи 6 Гбит/с играет затухание в ОВ и лишь при скоростях выше 6 Гбит/с определяющим фактором при определении длины регенерационного участка является хроматическая
дисперсия. Поляризационная дисперсия начинает оказывать неприятные воздействия на характеристики передачи и выбор длины усилительного и регенерационного участка при скоростях 10 и 40 Гбит/с и выше.
Нелинейные эффекты могут вмешаться в этот процесс в случае превышения пороговой мощности, при которых они воздействуют на передачу при спектральном уплотнении и большой суммарной мощности, вводимой в ОВ.
С начала 90-х годов прошлого века на магистральной и внутризоновой сетях общего пользования прекратилось строительство новых линий с использованием металлических кабелей. За последние десятки лет в России проложено в земле и подвешено на опорах десятки тысяч километров волоконно-оптических кабелей. В ОАО «Связьинвест» по положению на январь 2004 года находилось в эксплуатации 257,1 тысяч километров * кабельных линий [101 ]. Из них 63367 км составляли оптические кабели. К концу 2005 года протяженность оптических кабелей возросла еще на 13000 км. Наибольшей сетью среди компаний, входящих в холдинг «Євязь-Инвест», обладает ОАО «Ростелеком». Обьем первичной сети ОАО «Ростелеком» характеризует цифра 800 млн. кан. км. Общая протяженность сети ОАО «Ростелеком» превышает 200 тыс. км. Из них кабельные линии составляют 56%, РРЛ - соответственно 44%. Протяженность линий волоконно-оптического кабеля составляет порядка 28-30 тыс. км. В качестве потребителей кабелей связи российские технологические сети, по меньшей мере, не уступают сетям общего пользования. Наибольшей по суммарной протяженности кабельных линий является сеть связи ОАО «РЖД». На этой сети суммарная длина оптического кабеля достигает 53 тыс. км. Аналогичные показатели в совокупности для сетей связи РАО ЕЭС России, ОАО «Связьтранснефть», ОАО «Газпром» соответственно равны 20 тыс. км. В итоге на ЕСЭ России без учета местных (городских и сельских) и специальных сетей связи имеется порядка 140 тыс. км. оптического кабеля.
Реальный срок службы оптических кабелей пока неизвестен. Из-за относительной молодости оптических кабелей на сети статического материала для достоверных выводов пока недостаточно. Формально в технической документации указывается такой же срок службы, как и для металлических кабелей, в среднем 25 лет. За 10-ти летний период времени на магистральной и внутризоновых сетях общего пользования и технологических сетях построено 140 тыс. км. оптических линий. При сохранении таких темпов строительства протяженность линий к 2020 и к 2045 гг. при отсутствии насыщения гипотетически будет равной 350 и 560 тыс. км.
Известно, что кабельные линии строятся вдоль транспортных и технологических инфраструктур. В табл. [1 ] приведены данные по протяженности основных российских транспортных и технологических инфраструктур
Таблица [1 ]. Инфраструктуры и потребность в линиях связи. Источник: Всемирный Банк и сайты компаний
Уровень насыщения сети кабелями получен исходя из предположения, что длина линий связи должна превосходить длину соответствующей инфраструктуры на 30%
Одной из наиболее динамично развивающихся оптических технологий, позволяющих увеличить пропускную способность ВОЛС, является спектральное, или волновое, мультиплексирование (Wavelength Division Multiplexing - WDM), которое называют также спектральным уплотнением. Структура системы передачи со спектральным уплотнением показана на рис. 1.
Практический успех технологии спектрального уплотнения во многом обеспечили оптические усилителя, поскольку они являются широкополосными устройствами и способны усиливать групповой оптический сигнал. Именно по этой причине в линейных трактах систем со спектральным уплотнением в качестве промежуточных устройств экономически эффективно применять оптические усилители. Однако совсем без промежуточных генераторов построить линейные тракты большой протяженности невозможно. Дело в том, что оптические усилители способны компенсировать только энергетические потери в ОВ и не позволяют избежать накопления шумов и искажений от участка к участку. Поэтому после нескольких усилительных участков (обычно после 6-8) приходится ставить ре генератор, причем свой на каждую длину волны.
^зтА
Л,
r^XrV
.Aj Л2 Я^л^л^
А
л.
Л,
А
Оптические мультиплексоры
Транспондеры
Рис.1. Структура СП со спектральным уплотнением
Другими компонентами, которые необходимы для реализации технологии спектрального уплотнения, являются источники оптического излучения с высокой степенью когерентности и точным значением частоты излучения, преобразователи длин волн (транспондеры), оптические приемные фильтры, оптические мультиплексоры и демультиплексоры, компенсаторы дисперсии и т.д.
Системы передачи со спектральным уплотнением являются основным средством создания полностью оптических транспортных сетей.
Технико-экономические преимущества технологии WDM, помимо увеличения пропускной способности ОВ заключаются:
в возможности постепенного наращивания пропускной способности ОВ в процессе эксплуатации за счет задействования спектральных каналов;
в осуществлении наращивания пропускной способности ОВ в процессе эксплуатации без перерыва функционирования действующих спектральных каналов;
в использовании общих оптических усилителей для больших групп спектральных каналов.
Следует отметить, что практические достижения в области применения технологии спектрального уплотнения очень высоки. Уже достигнут «терабитный» уровень пропускной способности таких систем.
На рис.2 и 3 показана эволюция некоторых параметров, характеризующая прогресс технологии WDM, а именно, шага оптических несущих и ширины оптического диапазона, используемого для спектрального уплотнения.
Шаг оптических несущих частот регламентирован в рекомендации МСЭ-Т G.692
Следует отметить, что большинство параметров ВОЛС со спектральным уплотнением являются взаимозависимыми. В частности, увеличение количества оптических каналов (максимальная ширина диапазона при минимальном шаге) приводит к уменьшению перекрываемого затухания и ограничивает скорость передачи по одному оптическому каналу. Увеличение скорости передачи также приводит к уменьшению перекрываемого затухания.
Спектральное уплотнение с шагом несущих частот, равным или меньшим 100 ГГц относят к категории DWDM (Dense DWDM), или плотного спектрального уплотнения. ВОЛС с DWDM используются главным образом на супермагистралях. Особенностью этих ВОЛС, рассчитанных на большие расстояния и на образование большого количества оптических каналов, является линейная конфигурация.
ГГц .
ГГц 160-140-
I I 1 I I 1 1 і I I I I 1-
Рис.2. Эволюция шага оптических несущих
I I I I I I I I I I I J
Рис.3. Эволюция ширины оптического диапазона
В последние годы приобрели популярность ВОЛС с названием Metro WDM. Эта разновидность ВОЛС разрабатывалась для сетей крупных городов (Metropolitan Networks). Первоначально Metro WDM обеспечивала связь на относительно короткие расстояния (порядка 100 км) и использовала технологию так называемого неполного мультиплексирования с разделением по длинам волн (Coarse Wavelength Division Multiplexing - CWDM), затем аппаратура этого класса постепенно адаптировалась и для работы в условиях разветвленных участков магистральной сети.
После 5 лет затишья был поставлен рекорд
по суммарной скорости передачи через одно
оптическое волокно
Рис.4. Рекордная суммарная скорость передачи
199S 1997 1999 2001 2003 2005 2007
Скорость передачи в канапе и суммарная скорость передачи в канале
могут различаться за счет различных модуляционных форматов
Рис. 5 . Эволюция скорости передачи в канале
В отечественной практике разработано ряд методик[31,70,127,128 ] для определения длин регенерационных участков, которые не полностью соответствуют предъявляемым требованиям:
не точно определены исходные данные оптических импульсов при различных скоростях передачи;
не учтены форматы модуляции при расчете дисперсионных параметров;
не учтены решения, связанные с начальной частотной модуляцией гауссовских импульсов с учетом форматов модуляции;
не учтены решения, связанные с одновременным воздействием хроматической дисперсии , начальной частотной линейной модуляции и форматов модуляции;
не учтены решения, связанные с одновременным воздействием хроматической дисперсии, начальной линейной модуляции и фазовой самомодуляции;
не показано воздействие этих эффектов на линии с ВОСП-СР;
не проверены полученные решения на экспериментальных результатах;
Основной целью диссертационной работы является разработка уточненной методики расчета параметров ВОЛС с учетом хроматической дисперсии, начальной линейной
модуляции, фазовой самомодуляции с учетом формата модуляции и вероятности ошибки для различных систем передачи с учетом ВОСП-СР.
Актуальность темы и состояние вопроса
Широкое внедрение волоконно-оптических линий на сети Российской Федерации (РФ) требует использования оптических кабелей с одномодовыми оптическими волокнами разного типа на магистральном, внутризоновом, городском и сельском участках сети (транспортной сети и сети доступа) с перспективой внедрения на всех участках сети плотного спектрального уплотнения (DWDM) ВОСП-СР."
Актуальными научными задачами в этом случае являются решения по оптимальному определению длины регенерационных участков на различных типах ОВ с учетом дисперсионных и нелинейных параметров, при которых обеспечивается организация большого числа каналов без ущерба экономическим характеристикам, связанным с переустройством волоконно-оптических линий связи (изменением расстояния между усилителем и регенератором).
Несколько причин ограничивают широкое применение на стандартном оптическом волокне G-652 спектральное уплотнение по длине волны:
Затухание
Хроматическая дисперсия
Поляризационная дисперсия
Нелинейные эффекты
Возрастание требований к широкополосности пропускной способности сети связи на всех участках транспортной сети и сети доступа приводит к необходимости увеличения скорости передачи с 2,5 Гбит/с до 40Гбит/с и выше, и внедрения спектрального уплотнения ВОСП-СР. Если при малых скоростях передачи на длину участка регенерации определяющим фактором был параметр затухания (до 6 Гбит/с), то с 10 Гбит/с и выше длину участка регенерации определяет дисперсия. При внедрении спектрального уплотнения требуется увеличить суммарную мощность, что приводит к нелинейным эффектам. Если от кросс-модуляции и четырехволнового смешивания можно избавиться за счет увеличения расстояния*между каналами, то фазовая самомодуляция может оказать отрицательный эффект на расстояние между усилителями и регенераторами.
Вместе с тем, сочетание методов модуляции, нелинейных эффектов за счет усиления сигналов и дисперсионных параметров оптических волокон (ОВ) позволяет управлять режимом компенсации дисперсии.
Фундаментальные основы физических процессов в двухслойных диэлектрических волноводах, результаты экспериментальных исследований изложены в многочисленных работах отечественных и зарубежных ученых. Из них можно выделить работы А.МЛрохорова, Е.М. Дианова, Д. Маркузе, Д. Гауэра, А. Хасегавы, Ф. Тапперта, Г.А. Хауса, Г.Агравала, Алексеева Е.Б. и очень многих отечественных ученых.
Для современных наземных волоконно-оптических линий связи типичная длина участка регенерации в зависимости от скорости передачи и типа ОВ лежит в пределах 80-300км, а длина усилительного участка 80-120 км. Уточнение характеристик передачи стандартного ОВ типа G-652 по рекомендации МСЭ-Т и ОВ TnnaG-655 по тем же рекомендациям позволит оптимально решить задачу по компенсации хроматической дисперсии для ряда форматов модуляции с учетом начальной линейной модуляции и предварительной компенсации дисперсии за счет кодов Рида-Соломона.
Цель работы и задачи исследований
Диссертационная работа посвящена разработке метода определения дисперсионных характеристик при различных форматах модуляции с учетом фазовой самомодуляции и предварительной компенсации дисперсии с учетом избыточности мощности сигнала с применением кода Рида-Соломона при скоростях передачи 10 и 40 Гбит/с с использованием ВОСП-СР[127-142].
В соответствии с поставленной целью в диссертационной работе решаются следующие задачи:
Разработка метода расчета параметров хроматической дисперсии с учетом различных форматов модуляции при скоростях передачи 10 и 40 Гбит/с для ОВ G-652 и ОВ G-655 по рекомендации МСЭ-Т.
Определение длины РГУ с учетом начальной линейной частотной модуляции для рассматриваемых скоростей и форматов модуляции.
Учет фазовой самомодуляции при определении длины РГУ с учетом форматов модуляции.
Уточнение решений по определению отношения сигнал/шум для одноволновой передачи для рассматриваемых типов ОВ и форматов модуляции.
Уточнение решений по определению отношения сигнал/шум и вероятности ошибки для ОВ при ВОСП-СР.
Решения по предварительной коррекции ошибок с применением кодов Рида-Соломона.
Методы исследований
При решений поставленных задач использовались методы теории оптических волноводов, нелинейной оптики, теории линий передачи, теории дифференциального и интегрального исчисления и численного моделирования.
Личный вклад.
Все основные научные положения, выводы и рекомендации, составляющие содержание диссертационной работы, получены автором лично.
Научная новизна работы заключается в следующем:
Получена методика для определения хроматической дисперсии для ОВ по рекомендации G-652 и G-655 МСЭ-Т для скоростей передачи 10 и 40 Гбит/с для одноволновой передачи с учетом форматов модуляции и отношения сигнал\шум в оптическом канале.
Получена методика для определения хроматической дисперсии для одноволновой передачи с учетом начальной линейной частотной модуляции и форматов модуляции.
Получены решения для определения отношения сигнал/шум и вероятности ошибки для указанных выше задач.
Получены решения для определения отношения сигнал/шум и вероятности ошибки для указанных выше решений с учетом фазовой самомодуляции.
Получены решения для определения сигнал/шум для ВОСП-СР в зависимости от числа каналов с учетом линейной частотной модуляции и фазовой самомодуляции.
Доказана необходимость учета вышеназванных характеристик при определении длины регенерационного и усилительного участков.
Разработана уточненная методика расчета длины регенерационного участка с учетом избыточности усиления с применением кода Рида-Соломона для управления дисперсией на ВОСП-СР.
Получены патенты на конструкцию ОК, позволяющие оптимально и в короткий срок устранить повреждения на волоконно-оптической линии связи.
Практическая ценность
Разработанная методика расчета хроматической дисперсии с учетом различных форматов модуляции и отношения сигнал\ шум в оптическом канале при скоростях передачи 10 Гбит\с и 40 Гбит\с для оптических волокон разработанных по рекомендации МСЭ-Т G-652, G-655 позволяет оптимально выбрать длину регенерационного участка, исходя из требований приемных устройств по параметру отношения сигнал\ шум в оптическом и электрическом каналах.
Разработанная методика определения длины регенерационного участка с учетом начальной линейной частотной модуляции для рассматриваемых скоростей передачи и форматов модуляции и отношения сигнал\шум в оптическом канале позволяет увеличить длину РГУ в 1,5-2 раза.
Разработанная методика определения длины РГУ с учетом фазовой самомодуляции в нелинейном формате также позволяет более точно определить длину РГУ при известных требованиях на отношение сигнал\ шум в электрическом канале.
Разработанная методика определения сигнал\ шум в оптическом и электрическом каналах для рассматриваемых оптических волокон, скоростей передачи и форматов модуляции при применении кодов Рида-Соломона позволяет увеличить длину регенерационного участка в 1,5-2 раза.
Реализация результатов работы
Основные результаты исследований, рекомендации по методикам расчета хроматической дисперсии и длины РГУ и методики определения отношения сигнал/шум и вероятности ошибки внедрены на предприятиях «Мостелефонстрой», «Комстар», «МТК-Телеком»
Полученные патенты на конструкции ОК рекомендованы заводам, производящим ОК,иВНИИКП.
Методики расчета хроматической дисперсии и отношения сигнал/шум и вероятности ошибки для ВОСП-СР внедрены в учебный процесс МТУ СИ в курсы «Волоконно-оптические линии связи», «Оптические направляющие системы и пассивные компоненты» , а также в курсы повышения квалификации «Оптические кабели и пассивные компоненты «Волоконно-оптические линии связи, строительство и эксплуатация».
Реализация результатов работы и достигнутый эффект подтверждены соответствующими актами.
Апробация результатов работы
Основные результаты диссертационной работы докладывались, обсуждались и были одобрены на конференциях:
Российская научно-техническая конференция профессорско-преподавательского состава МТУСИ (Россия, Москва, 2007г., 2008г.г.).
Международная конференция Международной Академии информатизации (Россия, Москва, 2008г.).
Межвузовская научно-практическая конференция аспирантов на иностранном языке (Россия, Московская Академия Экономики и Права, 2006г.).
Публикации
Основные результаты диссертационной работы представлены в 17 печатных трудах, двух патентах на изобретение. Некоторые результаты отражены в отчетах по хоздоговорным НИР (2007г., 2008г.), в которых автор принимал участие в качестве соисполнителя. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, и двух приложений.
Струкпгура и объем работы
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и 2 приложений. Работа содержит 146 страниц машинописного текста, в том числе 28 рисунков, 39 таблиц, 8 страниц приложений. Библиография включает 144 наименования.
Основные положения, выносимые на защиту
Методика расчета хроматической дисперсии с учетом различных форматов модуляции и отношения сигнал\шум в оптическом канале при скоростях передачи 10 и 40 Гбит/с для OB G-652 и G-655 по рекомендации МСЭ-Т.
Методика определения длины регенерационного участка с учетом начальной линейной частотной модуляции для рассматриваемых скоростей передачи и форматов модуляции.
Решения, связанные с определением отношения сигнал/шум для одноволновой передачи для рассматриваемых типов ОВ и форматов модуляции:
Методика определения длины РГУ с учетом фазовой самомодуляции.
Решения,связанные с определением отношения сигнал/шум и вероятности ошибки для рассматриваемых ОВ и форматов модуляции при ВОСП-СР с учетом и без учета избыточности сигнала при применении кодов Рида-Соломона.
В первой главе разработаны основные положения для уточнения методики определения хроматической дисперсии при передаче сигналов по оптическим волокнам G-652 и G-655.
Показано, что на основании решения Гауэра и Агравала определение начальных исходных данных сигнала на основе гауссовского импульса получены точные решения по определению дисперсионной длины, которая устанавливает четкую связь между сигналом передачи (система передачи) и дисперсией (характеристика оптического волокна, по которому передается сигнал). На основании этой связи определяется зависимость характеристик передачи от формата модуляции для различных скоростей передачи (например STM-64 и STM-256) при работе по оптическим волокнам G-652'и G-655 по рекомендации МСЭ-Т.
Показано, что независимо от выбранного параметра (Г0 - полуширина импульса по
уровню интенсивности от максимального значения, Тх - полная длительность по уровню
половины максимальной интенсивности, Тб - битовый период, равный —, где В -
скорость передачи), дисперсионная длина не изменяется.
Доказано, что простые решения по уширению импульса, связанные с дисперсионной длиной однозначно согласуются с результатами, полученными Агравалом [13].
Кроме того, эти решения связаны с Q-фактором, который определяет отношение сигнал/шум в оптическом канале.
Уточнены выражения по распространению сигналов на основе гауссовского импульса с учетом формата модуляции. Показано, что решения, полученные рядом авторов (Фриманом, Былянски и Ингремом), не имеют окончательного решения и однозначно реализованы в данной главе.
Во второй главе исследовано влияние начальной линейной частотной модуляции на увеличение длины участка регенерации с учетом формата модуляции. Доказано, что
при допустимых потерях на дисперсию в 2 дБ можно увеличить длину участка регенерации до 2ЬД. Это можно рассматривать как один из пассивных методов
компенсации хроматической дисперсии в одномодовых оптических волокнах при формате модуляции NRZ (невозврата к нулю). При спектральном уплотнении и формате модуляции RZ этот метод также применяется для увеличения длины участка регенерации. Показано, что наибольший положительный эффект получаем при начальной линейной модуляции в 3-ем окне прозрачности (С-диапазон). При этом, значение параметра* начальной линейной модуляции должно иметь положительное значение, равное 1.
В третьей главе из всего многообразия нелинейных эффектов рассматривается только фазовая самомодуляция, которая проявляет себя как в одноволновой передаче, так и в режиме ВОСП-СР. Принимается расстояние между каналами в ВОСП-СР, равным 100 ГГц и различные форматы модуляции.
Доказано [58 ], что при расстоянии между каналами 100 и 200 ГГц кроссмодуляция и четырехволновое смешивание не влияет на каналы и их молено не учитывать при скоростях передачи до 10 Гбит/с включительно. Определено воздействие фазовой самомодуляции без начальной частотной модуляции на уширение импульса и длину участка регенерации с учетом формата модуляции.
В четвертой главе представлена уточненная методика расчета длины регенерационного участка для одноволновой передачи и ВОСП-СР с учетом ограничений по дисперсии, начальной линейной частотной модуляции и фазовой самомодуляции при ограничении расстояний между каналами ВОСП-СР для скоростей передачи 10 и 40 Гбит/с для ОВ типа G-652 и G-655 по рекомендации МСЭ-Т. При этом полученная связь между 7-ю параметрами (ОСШ в оптическом канале, ОСШ в электрическом канале, хроматическая дисперсия и дисперсионная длина в зависимости от скорости передачи и типа ОВ, нелинейная длина, эффективная длина, начальная линейная частотная модуляция) позволяет, в зависимости от характеристик передатчиков и приемников системы передачи и системы ВОСП-СР, оптимально выбрать допустимую длину участка регенерации и усиления.
В заключении изложены основные результаты работы, полученные в диссертационной работе, а именно:
Разработана методика расчета определения дополнительных потерь мощности за счет дисперсии и межсимвольной интерференции с учетом отношения» сигнал\помеха в оптическом канале и различных форматов модуляции для скоростей передачи 10 и 40 Гбит\с для оптических волокон G-652, G-655 по рекомендации МСЭ-Т.
Получены решения, связанные с дисперсионной длиной и параметром Q-фактором, определяющим значение вероятности ошибки и длину регенерационного участка.
Разработана методика определения Q-фактора при условии типовой передачи одного канала по стандартному волокну и учетом начальной линей ной частотной модуляции и различных форматов модуляции.
Резработана методика по определению длины регенерационного участка с учетом фазовой самомодуляции и различных форматов модуляции.
Разработана уточненная методика расчета ОСШ в оптическом канале для системы передачи ВОСП-СР с учетом форматов модуляции и применением кодов Рида-Соломона.
Уточнение исходных данных, связанное с определением хроматической дисперсии в одномодовом оптическом волокне с учетом форматов модуляции
Известно, что величина хроматической дисперсии волоконно-оптической линии с учетом аппаратуры определяется в виде трех составляющих: дисперсия, вызванная передатчиком, дисперсия в оптическом волокне, дисперсия приемника оптического сигнала.
При преобразовании оптическим детектором оптического сигнала в электрический, мощность оптического сигнала преобразуется в напряжение электрического сигнала, при этом ЪдБ потерь мощности оптического сигнала трансформируется в 6дБ потерь напряжения электрического сигнала. Точка, соответствующая уровню потерь в 6дБ, традиционно используется для определения ширины полосы пропускания, ограниченной дисперсией. Как известно, под действием оптической мощности в-фотодиоде появляется ток, который с помощью усилителей усиливается и преобразуется в напряжение.
В случае длинных линий уровень передаваемой мощности может оказаться недостаточным для достижения минимальной вероятности ошибки BER.
В этом случае делают более короткими усилительные участки, используют оптический предусилитель, используют оптическое волокно с малыми потерями, используют более чувствительный фотодетектор.
Согласно [13] при увеличении скорости передачи до 10 Гбит/с дисперсия ограничивает длину усилительного участка для оптического волокна (ОВ) по рекомендации ITU G-652 вследствие больших ошибок для длины 50 км. При увеличении скорости до 40 Гбит/с компенсация дисперсии требуется для данного ОВ уже после 3,8 км.
При замене ОВ на волокно с ненулевой смещенной дисперсией [ОВННСД] компенсация дисперсии требуется на длине 100 км для скорости передачи 10 Гбит/с и 30 км при скорости передачи 40Гбит/с.
Использование мультиплексора, драйвера, оптического модулятора с трансимпедансным усилителем в электрической части передатчика волоконно-оптической линии при скорости передачи 10 Гбит/с на ОВ SMF-28 на длине 80-100 км может быть свободно от ошибок: не требуется компенсация дисперсии и не требуется оптическое усиление (бустер, линейные оптические усилители, предусилитель)
Работа драйвера основана на самых современных логических схемах и трансимпедансных усилителях. Модулятор Маха-Зендера соединен с оптическим волокном SMF-28, которое имеет коэффициент затухания 0,2 дБ/км и дисперсионный коэффициент 17 пс/нм-км на длине волны 1,55 мкм. Лазерный источник с максимальной выходной мощностью 15мВт (11,8 dBm) перекрывает расстояние 80 и 100 км;
На приемном конце используется два типа приемных устройств: для 80 км ОВ-используется PIN-фотодиод (PD) с характеристикой 0,85 А/Вт в сочетании с трансимпедансным усилителем с одной настройкой усиления на 700 Ом.
Для длины 100 км ОВ лавинный фотодиод (APD) используется в сочетании с трансимпедансным усилителем с настройкой-усиления на\4,5 КОм:
В каждом случае выход трансимпедансного усилителя соединен с приемником; Приэтом BER lO n на длине80 кми BER 10 12 на длине 100 км.
Схемам с трансимпедансом позволяет получить, большую полосу пропускания и высокую чувствительность. В этом случае нагрузочное сопротивление расположено-в цепи обратной связи усилителя; Нагрузочное сопротивление может быть достаточно большим, т.к. отрицательная обратная связь уменьшает эффективный входной импеданс пропорционально усилению усилителя: Полоса пропускания такой схемы увеличивается, во столько раз, во сколько увеличивается усиление усилителя.
Следующим электрическим компонентом такого приемника является усилитель, напряжения с высоким коэффициентом усиления и низкочастотный фильтр. Коэффициент усиления управляется с помощью АРУ вне зависимости от средней оптической мощности, падающей на приемник. Фильтр низких частот формирует импульс напряжения. Фильтр используется с целью уменьшения шума без внесения межсимвольных искажений. Фильтр определяет ширину полосы пропускания приемника. Его полоса пропускания меньше, чем эквивалентная скорость передачи, тогда как полоса пропускания других компонентов приемника проектируется так, чтобы быть больше эквивалентной скорости передачи.
Восстановленные сигналы таймера обеспечивают синхронизацию и побитовое таймирование. Схема принятия решений (логическая схема) сравнивает выходное напряжение усилителя напряжения на выходе фильтра с пороговым уровнем и определяет для каждого битового интервала, является ли принятый сигнал двоичный 1 или 0. Так, для формата NRZ 1 Мбит/с имеет длительности битового интервала 1 мкс, для 1 Гбит/с - 1 не, для 10 Гбит/с - 0,1 не (100 пс)
Для. дальних, линий; передачи для каждого звена длинной линии требуется. BER 10"12 для скорости ЮГ бит/с для того, чтобы на приемном конце BER 10"10
Для каждого типа приемника производитель дает кривую или семейство кривых, где представлена зависимость BER от уровня сигнала в dBm. Рассматриваемый уровень может изменяться от 10 9 до Ю-12. Оператор Sprint устанавливает порог на уровне 10 п, стандарт ITU G-957 - на уровне 10"10. Эти уровни соответствуют всей системе в целом для сигнала, переданного «из конца в конец»
В случае длинной линии уровень мощности сигнала может оказаться недостаточным для достижения требуемого значения вероятности ошибки BER. В этом случае, делают более коротким участок, используют оптический предусилитель, используют ОВ с малыми потерями, используют более чувствительный детектор. Например, PIN диоды имеют большую наработку на отказ, чем APD, менее сложны, менее чувствительны к изменению температуры и более просты в использовании. Их наработка на отказ в 10 раз выше, чем у APD.
Оптический вход модулятора Маха-Зендера управляется лазерным источником мощностью 10 дБм для 80 км и 13 дБм для 100 км. 5 дБм отводится потерям на включение и модуляцию данных. Затухание составляет 16,4 дБ. При изменении передатчик-приемник с очень короткой длиной ОВ отличается чувствительность приемника - 17,8 дБм для BER 10 п. При длине 80 км чувствительность приемника падает до - 13,8 дБм, т.е. вводится 4 дБ ОВ SMF-28.
Рекомендации по уточнению методики расчета хроматической дисперсии в одномодовом ОВ по определению допустимой длины участка РГУ
При исследовании влияния начальной линейной частотной модуляции основной упор делается на увеличение длины регенерационного участка и, при этом не учитывается решение по ухудшению параметра Q-фактора, который может быть значительно уменьшен.
Оптимальный вариант при увеличении длины за счет начальной частотной модуляции получается при положительном значении параметра С в аномальной дисперсионной зоне (1460 - 1650 нм), где дисперсия групповых скоростей имеет отрицательное значение (-/). При рассмотрении распространения гауссовского импульса по ОВ с учетом начальной линейной модуляции и формата модуляции, следует показать характер распространения импульса по ОВ.
Распространяющийся импульс по ОВ характеризуется во времени не только длительностью и формой, но и зависимостью частоты несущей от времени (чирпингом). Импульс на входе ОВ промодулирован только по амплитуде и частота его несущей зависит от времени.
Пройдя определенное расстояние по ОВ с положительным значением дисперсии, импульс приобретает дополнительную частотную модуляцию (линейную частотную модуляцию - положительный чирпинг) и при этом уширяется.
Уширение происходит потому, что в волокне с дисперсией разные спектральные компоненты импульса движутся с разной скоростью. Положительный знак линейной частотной модуляции импульс приобретает потому, что при положительной дисперсии длинноволновые компоненты запаздывают сильнее, чем коротковолновые. Если бы было волокно с отрицательной дисперсией, то импульс бы все равно уширился, но приобрел бы при этом отрицательный знак линиейной частотной модуляции. Т.е. импульс без линейной частотной модуляции уширяется независимо от знака дисперсии ОВ.
Если импульс обладает начальной частотной линейной модуляцией и знак дисперсии в ОВ противоположен знаку линейной частотной модуляции в импульсе, то импульс сжимается. Так, на выходе из волокна с положительной дисперсией импульс уширился и приобрел положительный знак линейной частотной модуляции, а в ОВ с отрицательной дисперсией он сжимается до тех пор, пока не исчезнет линейная частотная модуляция за счет компенсации дисперсией и импульс не сожмется до начальной величины. Если увеличивать длину ОВ с отрицательной дисперсией, то импульс начнет расширяться, приобретая отрицательное значение линейной частотной модуляции.
Импульсы, излучаемые полупроводниковыми лазерами с непосредственной модуляцией, представляют собой частотно-модулированные импульсы и используются в системе передачи. Кроме начальных частотно-модулированных импульсов при нелинейных эффектах немодулированные импульсы могут стать частотно-модулированными и в сочетании с хроматической дисперсией могут оказать значительное влияние на выбор длины участка регенерации.
В случае начальной частотной модуляции гауссовского импульса с параметром С, получено, что частота увеличивается линейно от переднего фронта импульса к заднему при С 0 , и уменьшается при С 0. Учитывая рассматриваемый диапазон длин волн (/ 0 область аномальной дисперсии) целесообразно, чтобы параметр С был положительным. Распространение импульса с начальной частотной линейной модуляцией можно записать в виде
Для рассматриваемого случая, при наличии начальной частотной модуляции при условии Р2С О наводимая дисперсией частотная модуляция противоположна по знаку по сравнению с начальной частотной-модуляцией. В результате, импульс сжимается. Г і V \LDJ Т I То Если рассматривать импульс без частотной модуляции, то —- = Jl + — ДЛЯ гауссовского импульса и формата NRZ.
При заданных исходных данных для рассматриваемого диапазона частот получим: = 0,767д при штрафе по дисперсии 1 дБ с учетом начальной модуляции. /j = LD при допустимых пределах отношения по дисперсии для узкополосных источников. При /, = LD потери на дисперсию составляют 1,5 дБ, а при—— = 1,25 потери наг дисперсию составят 2 дБ
Для гауссовского импульса на входе, не обладающего частотной модуляцией, следует, что уширение гауссовского импульса не зависит от знака параметра дисперсии D. При определении дисперсионной длины LD импульс уширяется одинаково как в области нормальной, так и аномальной дисперсии в ОВ.
При наличии начальной линейной частотной модуляции ширина спектра увеличивается в Vi+c2 раз. Длительность импульса 7J после прохождения длины 1Х по ОВ связана с начальной длительностью Т0 соотношением:
Для чирпированного импульса, т.е. импульса с начальной частотной модуляцией ФСМ изменяет фазовую характеристику. Это объясняется тем, что частотная модуляция, наводимая ФСМ, линейна и положительна (частота увеличивается с увеличением Т) в центральной части импульса. Таким образом, она складывается с начальной частотной модуляцией при С 0, приводя к увеличению осцилляции. В случае С 0 два вклада в частотную модуляцию имеют разные знаки в центре импульса.
Из общего числа методов компенсации хроматической дисперсии, особенно при высоких скоростях передачи цифровой информации, используется метод компенсации с помощью начальной частотной модуляции. При высоких скоростях передачи хроматическая дисперсия в одномодовых оптических волокнах ограничивает дальность передачи, хотя затухание сигнала позволяет передавать информацию на большие расстояния. Несомненно, применение современных оптических волокон с ненулевой смещенной дисперсией типа G-655 (АЗ,С) по рекомендации Международного союза электросвязи МСЭ-Т позволяет преодолеть этот недостаток. Однако, оптическое волокно (ОВ) типа G-652 (A,B,C,D) по рекомендации МСЭ-Т уже проложено на территории России в большом количестве и требует перейти на более высокие скорости передачи: 10 Гбит/с и 40 Гбит/с.
Можно эффективно рассматривать данный метод компенсации для одноволновой передачи в третьем окне прозрачности, где затузхание минимально 0,2,дБ/км, а аномальная дисперсия составляет 17 пс/нм/км. Конечно, можно заменить это ОВ (G-652) на ОВ (G-655), у которого дисперсия составляет 2 -6 пс/нм/км и расстояния между пунктами установки усилителей значительно больше.
Основные положения по распространению гауссовского импульса при наличии начальной линейной частотной модуляции при различных форматах модуляции
ВЭДдфф составляет 20-30нм для одного усилителя и 15нм для 10 усилителей.
Ориентируясь для сравнений на 16 каналов с канальными расстояниями 100 ГГц для формата модуляции NRZ, и 200ГГц для формата модуляции RZ и систему передачи STM-64 и STM-256 при ОК с оптическими волокнами G-652D и G-655C покажем, как можно применить полученную методику в данной методике МСЭ-Т. Для протяженных линий по методике МСЭ-Т для оптического интерфейса L-64-2a,b максимальное затухание из конца в конец аппаратуры (выхода и входа) при вероятности ошибки 10"10 должно быть не менее 22дБ при расстоянии между усилителями 80км.
Запас на старение аппаратуры по мощности Ме = ЪдБ. Максимальная величина дисперсии в точке приема R выражается в пс/нм для систем на OB G-652. При этом рассмотрим очень длинные пролеты (80км) с числом каналов 4 V - yz, 8 V - yz, 16V - yz, где у z. Затухание на км с учетом неразъемных соединений принимаются равным 0,275 дБ/км.
V-64-2a — без учета нелинейных эффектов с предкомпенсацией дисперсии. В этом случае РДС использует DAC-усилитель с дисперсионно-компенсируемыми функциями. V-64-2b — используется комбинация самофазовой модуляции и РДС как DA. При использовании V-64-2b применяется формат модуляции RZ для системы STM-256 как более стойкий к нелинейным эффектам, так и к поляризационно-модовой дисперсии. При этом расстояние между каналами принимается 200ГГц для того, чтобы избежать эффекта четырехволнового смешивания. Принимается худший вариант хроматической дисперсии ПС для OB G-652 D = 20——. им км X — максимальное число пролетов Z — отмечает источник и тип волокна. Например 2 -1550нм источник на OBG-652, 5 - 1550нм источник на OB G-655 Y — отмечает класс сигнала и тип модуляции l-NRZ2,5r6HT/c 2-NRZ10r6nT/c PJVx-ytz(rab) Р - тип кода V — очень длинные пролеты W - пролет La. Например, V- очень длинный пролет ЗЗдБ. t - схема соответствия коду А - один ОУ как бустер и второй ОУ как предусилитель В — только бустер (усилитель мощности) С — только предусилитель D - не используются усилители г — означает уменьшение расстояния а - означает применение APD-приемника b - означает применение PIN-приемника
Используя код L-64-2bc, т.е. система STM-64 используется PIN-приемник в диапазоне 1530-1565 для OB G-652 и G-655, L-64-2c — использует предчирпирование как DA. Максимальная мощность, запускаемая в канале 15дБм, максимальное затухание 22дБ, хроматическая дисперсия составляет 16 пс/км. При расстоянии пролета 80км максимальная дифференциальная задержка ЗОпс. Максимальный допустимый штраф составляет 2дБ.
Согласно канальному плану в диапазоне длин волн 1530-1565нм сетка частот по рекомендации МСЭ-Т состоит из 41-спектрального канала при интервале между каналами 0,8нм(100ГТц). Однако, на практике используется 39 каналов, так как два крайних канала в полосе рассматриваемого диапазона находятся на склонах частотной характеристики оптических усилителей, применяемых в DWDM. Для получения большего числа каналов сокращают расстояние между каналами до 0,4нм (50ГТц) и 0,2нм (25ГГц) и даже до ОДнм (12,5ГТц). Были проведены эксперименты по уменьшению расстояния между каналами до 0,05нм (6,25ГТц). Кроме того расширяется спектральный диапазон от 1510 до 1625нм.
Согласно материалам МСЭ-Т предлагаются решения для оптического отношения сигнал/шум в электрическом канале: JQG /IO" N + -I0\g(hwr)-Kr (61) ОСШэ=Т вых-а1-№-Wig 1QO//10 РВых - выходная мощность канала усилителя мощности и линейного усилителя, дБм осі - затухание на пролет длиной L, дБ сД4 - усиление оптического усилителя мощность, дБ И - постоянная Планка v - оптическая частота канала vr - занимаемая ширина полосы канала с учетом формата модуляции, ГГц N-1 - число линейных усилителей Кг - учет дополнительных потерь Ограничение максимальной оптической мощности базируется на нелинейных эффектах и условиях лазерной безопасности для систем ВОСП-СР. Максимальный уровень оптической мощности, требуемый на выходе оптических усилителей, записывается в виде выражения. Таким образом, получим: 101g(PCP)-101gPnp=apryar 101g(iW - 101gPlD = 201gQ (62) 201gQo = Pnep -cd-Pnp -NF-101gN-101gM-K, где Pnep = P0 +5lgQ3 (63) ОСШэ =Pnep-10 , 25)-8,5 -Л -lOlgiV-lOlgM- (64) Для скорости передачи В=10Гбит/с и 1.55мкм, NF=4,N=4M-4,K=4 10 (Мф/гк25)=-59дБм Для скорости 40Гбит/с lOlgOSL/i v2B) =-53дБм Полученные решения позволяют за счет связи допустимой длины, дисперсии, параметра Q-фактора и затухания ОВ определить бюджет линии с применением различных решений с учетом вероятности ошибки и выбрать необходимые источники и приемники для данной линии передачи.
Зная характеристики источников передачи и допустимый бюджет мощности можно определить необходимую длину и меры увеличения регенерационной длины (компенсация дисперсии в проложенном ОВ или выбор нового типа ОВ)
Методика по расчету длины РГУ при совместном действии дисперсии групповых скоростей, начальной линейной и фазовой самомодуляции при ВОСП-СР
Требуется внедрить плотное спектральное уплотнение на п каналов при переходе с основной передачи 10 Гбит/с на их 10 Гбит/с.
Следует рассмотреть задачу при работе одноволновой передачи на длине волны Л = 1.55 lei , которая решена при следующих условиях: Используется оптическое волокно G-652 по рекомендации МСЭ-Т с характеристиками затухания на длине волны Я = 1.55мкм а = 0,25дБ I км, хроматической дисперсии D — Y1пс/ .км; поляризационной модовой дисперсии, / нм равной 0,5 пу і—, а эффективная площадь модового поля равна SOMKM2 . Это / у/км характеристики оптического волокна.
Заменяя аппаратуру и ее модернизируя, требуется использовать узкополосные источники, когда АД 0,02 Ънм, и, во-вторых, используя на каждом канале на источнике линейную модуляцию. Например, С=1,0 в данном окне прозрачности Л = 1.55л«ш. При применении п=4;8;16;32 каналов и учете нелинейного показателя преломления пг = 2,6 10"20 м/п .
Следует определиться также с расстоянием между каналами. Оптимальным расстоянием между каналами является расстояние 100 ГГц, т.е. 0,8 нм. В этом случае при появлении нелинейных эффектов на каналы не будут влиять: фазовая кросс-модуляция и четырехволновое смешивание.
Мощность источника излучения принимается 1мВт в канале.
Решая данную задачу необходимо определить: дисперсионную длину, длину участка по затуханию, нелинейную длину, эффективную длину, длину участка по поляризационной дисперсии.
При создании одноволновой системы использовался формат модулции NRZ (невозврата к нулю) без вводимой линейной модуляции.
При этом расстояние между пунктами усиления (регенерации) составляли при скорости передачи 10 Гбит/с без компенсаторов дисперсии при вероятности ошибки на входе приемника Ю-10 (Q0=6,4) 116 , 2,00 L-du лпп I = _ї 1—О. = 40,0км Qo где dM - коэффициент заполнения битового интервала для NRZ dM — 1. Ясно, что протяженность данной линии определяется не затуханием, а дисперсией, так как длина по затуханию определилась и составила: L S-2aP-ad-S3==SOjm a + "од т 1с.д. где S- энергетический потенциал системы, дБ ав - затухание на разъемных соединениях, равное 0,3 дБ а{ д - затухание на неразъемных соединениях, равное 0,1 дБ 1на - строительная длина, равная 2 км ай - штраф по дисперсии, равный 0,9 дБ S{ - запас на ремонт и старение аппаратуры и ОВ, равный 3 дБ В результате, L = SOU
Ранее было принято решение ставить усилители без компенсаторов дисперсии на расстоянии 40 км.
В результате, предкомпенсацию дисперсии потребовалось на каждом усилителе (типа 2R) на длину, равную 40 км.
При 5 усилителях было пройдено расстояние 480 км. Все это явилось исходными данными для внедрения на этой линии спектрального уплотнения на 16 канала со скоростью 10 Гбит/с.
Дисперсионная длина без параметра линейной модуляции известна и равна 57,6 км. Введение линейной модуляции позволяет увеличить дисперсионную длину в 1,5 раза и перейти на формат модуляции RZ. При переходе на формат модуляции RZ 0,67 дисперсионная длина уменьшится: Т2 -d2 г = _б—м_ = 25,9км = 26 ш д 8-А Увеличим потери на дисперсию до 2дБ. Получим Z=32KM Для этого следует обратить внимание на поляризационную дисперсию. Для проложенного оптического волокна G-652 МСЭ-Т она составляет 0,5 пс/ ІКЛІ Допустимая норма на поляризационную модовую дисперсию составляет 0,1 Тб 117 5/%S = у-п-пмді -к-ПМДІ где / - длина регенерации, км. п — число оптических усилителей к — число компенсаторов ПМД ПМДу - ПМД усилителей 1,0 пс ПМДК - ПМД компенсаторов 1,0 пс Обычно n=k и ПЩЦу ПМДК В результате: \(0,\Тб)2-2п(ПЦЦ)у г— 0,5 J = 0,45nc/yjKM Уменьшение ПМД до 0,2 пс/,— и 0,1 пс/ позволяет получить запас по ПМД и / л]КМ КМ нет необходимости ее компенсировать при скорости передачи 10 Гбит/с для рассматриваемого расстояния. Для увеличения расстояния вводится на каждом канале начальная линейная модуляция. При С=0,707 Ld = 25,86 1,44 = 36,6км 40км Так как Ld = Lc(\ + c2) . C + Vl + 2C2 Ld = 0,767 z = Ld-0),161 = Ld. С Ld= 1,414 -Lc Отсюда Qo - -1— 2,53 с вероятностью ошибки 10"10 26,1 При этом требуется дополнительная компенсация дисперсии не на 40 км, а 50 км без учета нелинейных эффектов. Учитывая мощность сигнала на канал, вычислим нелинейные эффекты, в частности, только само-фозовую модуляцию:
