Lektsiya_TIM_08_Tsilkom_optichni_merezhi

1. Назначение и общие принципы построения полностью оптических сетей

Рост объема передаваемой информации ставит задачу увеличения пропускной

способности транспортной сети, которая может решаться следующими путями:

увеличение производительности электронных коммутаторов в магистральных узлах до скорости битового потока по волокну до 10 и даже 40 Гбит/с вместе с использованием различных механизмов пакетной коммутации ATM/SDH, Gigabit Ethernet и т.д.;

использование резервных "темных" волокон в проложенных волоконно-оптических

кабелях;

привлечение оптических технологий сверхплотного волнового уплотнения каналов (WDWM) и построение магистралей на основе полностью оптических сетей AON.

Последний путь позволяет значительно повысить экономичность, гибкость и надежность

сетей, и, самое главное – значительно увеличить пропускную способность, без изменения

существующий кабельной системы.

Полностью оптические сети WDWM (AON, All-Optical Networks) – класс сетей, в

функционировании которых для коммутации, мультиплексирования и ретрансляции используются только оптические технологии.

AON используют двоичный цифровой световой сигнала с модуляцией интенсивности:

•1 - передача света большой интенсивности;

•0 - передача света низкой интенсивности.

Полностью оптические сети строятся на базе следующих элементов и устройств:

Фотоприемники – строятся на базе фотодиодов, которые преобразуют энергию светового потока в электрический сигнал битового потока. Наибольшее применение находят полупроводниковые лавинные фотодиоды.

Лазеры – используются в качестве источников излучения: эффективно работают с одномодовым волокном, спектральная полоса излучения – менее 0,1 нм, потребляемая

мощность – 1 мВт; рабочий диапазон волн 1550 нм, скорость передачи до 10 Гбит/с.

1.Назначение и общие принципы построения полностью оптических сетей

Оптическое волокно – из-за лучших дисперсионных характеристик в AON

распространение получили три типа одномодового волокна:

со ступенчатым профилем (SF);

со смещенной дисперсией (DSF);

с ненулевой смещенной дисперсией (NZDSF).

Для многоканальной мультиплексной передачи лучше подходит волокно NZDSF, а

наименее удачным является волокно DSF.

Использование многомодового волокна ограничено локальными сетями с длиной сегмента до 2 км.

Пассивные оптические мультиплексоры/демультиплексоры:

мультиплексор собирает несколько первичных сигналов разных длин волн из нескольких волокон в единый мультиплексный сигнал, распространяющийся по одному волокну;

демультиплексор выделяет из агрегатного сигнала, идущего по одному волокну,

отдельные первичные каналы и направляет их в отдельные волокна.

Используются как простые мультиплексоры и направленные ответвители WDM, так и сложные устройства, обеспечивающих плотное волновое мультиплексирование/демультиплексирование (DWDM) с числом каналов 40 и более.

Мультиплексоры/демультиплексоры DWDM имеют две отличительные черты:

использование только одного окна прозрачности 1550 нм, в пределах области работы усилителя на примесном оптоволокне (EDFA) (1530-1560 нм);

малое расстояние между мультиплексируемыми каналами (3,2/1,6/0,8 или 0,4 нм).

1. Назначение и общие принципы построения полностью оптических сетей

Наряду с устройствами, в которых мультиплексируются (демультиплексируются)

одновременно все каналы, используются также устройства, которые работают в режиме добавления или вывода одного и более каналов в/из основного мультиплексного потока, представленного большим числом других каналов. Такая процедура называется пассивной маршрутизацией по длинам волн.

Оптические усилители – на участках между регенераторами применяются эрбиевые

усилители (EDFA): используют лазер накачки с длиной волны 980 нм или 1480 нм; имеют рабочий диапазон волн 1535-1560 нм; обеспечивают усиление входного сигнала на 30-38 дБ в зависимости от длины волны. Усилители EDFA позволяют сократить число электронных регенераторов на протяженной оптической мультиплексной линии.

Оптические коммутаторы обеспечивают коммутацию каналов или коммутацию пакетов.

Наряду с простейшим коммутатором 2x2 разработаны коммутаторы с числом портов 4x4, 8x8 и 16x16.

Фильтры обеспечивают выделение одного канала из мультиплексного сигнала. Поскольку фотоприемники имеют широкую спектральную область чувствительности, то фильтр нужен для подавления помех от соседних каналов. Функции фильтра может выполнять оптический демультиплексор.

Волновые конверторы преобразуют сигнал одной длины волны в сигнал другой длины волны. Такое преобразование необходимо при перемультиплексировании каналов, т.е. при переносе канала из одного мультиплексного сигнала в другой.

1. Назначение и общие принципы построения полностью оптических сетей

Обозначение элементов полностью оптических сетей

Важный параметр технологии AON DWDM – расстояние между соседними каналами в

волновом диапазоне окна прозрачности 1530-1560 нм. Распределение длин волн каналов внутри окна прозрачности описывается частотным планом, который стандартизован ITU-T.

Использование той или иной сетки частотного плана зависит от трех основных факторов:

типа используемых оптических усилителей: кремниевого или фтор-циркониевого;

скорости передачи данных на канал: 2,4 Гбит/с (STM-16) или 10 Гбит/с (STM-64);

влияния нелинейных эффектов.

1.Назначение и общие принципы построения полностью оптических сетей

ВAON в качестве первичных каналов наиболее часто используются цифровые потоки

иерархии SDH со скоростями передачи на канал 2,5 Гбит/с (STM-16) и 10 Гбит/с (STM-64). Сеть, построенная на каналах STM-16, имеет ряд преимуществ перед системой на

каналах STM-64:

большая протяженность линии без регенераторов, что объясняется более низкими

требованиями к минимальному отношению сигнал/шум и допустимых хроматической дисперсии и поляризационной модовой дисперсий;

большее разнообразие возможных SDH архитектур: стандарт для STM-64 допускает исключительно линейную структуру; для STM-16 допускаются разнообразные кольцевые

архитектуры, что является наиболее сильной стороной системы;

большая гибкость по наращиванию разнообразных трибных интерфейсов: для систем STM-64 допустимы интерфейсы STM-16 и STM-4, а для STM-16 – Е1, Е2, Е3,

STM-4 и STM-1;

проще переход к полностью оптическому уровню за счет более плавного

наращивания ресурсов и в более широких пределах. Кроме этого, сегментирование

трафика в большее число волновых каналов и последующая их оптическая кросскоммутация, а также ввод-вывод – представляется более простым решением, чем предварительное электронное агрегирование потоков STM-16 в меньшее число потоков STM-64 на терминале SDH.

Прозрачность сети по отношению к используемому приложению – это возможность

передачи по любому оптическому каналу от узла-источника до узла-получателя оптического сигнала в формате приложения (SDH, ATM, Ethernet, FDDI, IP и т.д.) с сохранением кодировки, формата кадров, частоты модуляции и пр. без использования оптоэлектронных устройств преобразования сигнала.

1. Назначение и общие принципы построения полностью оптических сетей

Все AON можно разбить на три основные категории:

Формат сигнала в пределах каждого WDM канала может быть виртуально произвольным, что обеспечивает экономичность и очень высокий потенциал наращивания емкости сети.

В полностью оптической сети допускается электронное управление оптическими устройствами, которое требует меньшей полосы канала управления. Весь путь передачи потока данных остается оптическим.

Оптическое терминальное оборудование для AON представляют перестраиваемые по длине волны лазерные передатчики и перестраиваемые фильтры на приемной стороне.

Два конечных узла могут установить дуплексный канал связи через сеть путем настройки на определенные две волны своих приемопередатчиков, которые им выделяет сетевой контроллер, обработав соответствующий запрос на установление соединения. После этого магистральный канал становится прозрачным по отношению к используемому приложению.

2. Простая многоволновая линия связи SMWL

Технические возможности оптических линий связи описывают три параметра;

частота модуляции сигналов в каналах (битовая скорость),

плотность волнового распределения мультиплексируемых каналов;

длина сегментов.

Наиболее важными факторами, ограничивающие технические возможности оптической линии, являются:

Отношение сигнал/шум: для поддержки необходимого значения надо ограничивать число узлов EDFA, включенных в линию. Для потока STM-4 допустимо до 18 каскадов EDFA; для стандарта STM-16 – до 11 узлов EDFA. Из-за дисперсионной деградации сигнала реальное число каскадов EDFA уменьшается в два раза.

Полоса пропускания усилителей EDFA: неравномерность передаточной характеристики приводит к сужению рабочей частотной области канала с ростом числа каскадов усиления. При 50 каскадах начальная зона с 30 нм сокращается до 10 нм. Желательно использовать плотно расположенные волновые каналы (DWDM) в области наиболее плоского участка передаточной характеристики усилителя EDFA.

Поперечные помехи могут быть двух типов:

межзонные помехи возникают между двумя сигналами с разными длинами волн и не носят кумулятивный характер. Для их подавления достаточно поставить узкополосный фильтр перед оптическим приемником.

внутризонные помехи могут накапливаться, и для минимизации их влияния фильтр должен ослаблять сигнал на соседней длине волны не менее, чем на 20 дб по отношению к собственной длине волны канала.

Линейная дисперсия волокна – систематическое накопление хроматической дисперсии

водномодовом волокне, которая для волокна типа NZDSF может достигать 5-6 пс/нм в расчете на 1 км.

2.Простая многоволновая линия связи SMWL

Нелинейная дисперсия EDFA возникает за счет того, что усилители в большей степени усиливают спектральные составляющие сигнала с меньшей интенсивностью, чем спектральные составляющие с большей интенсивностью.

Поляризационная модовая дисперсия (PMD) возникает из-за неидеальной круговой геометрии реального волокна. Практически PMD начинает вносить ограничение на длину участка только при скорости передачи на канал 10 Гбит/с. При этом максимальное значение PMD в линии не должно быть больше 1/10 от битового интервала.

Стимулированное Рамановское рассеяние - нелинейный эффект, который связан с рассеянием света на молекулах волокна. Под действием света большой интенсивности

происходит поляризация совершающих тепловые колебания молекул, при этом сам

падающий свет испытывает рассеяние.

Четырехволновое смешение FWM - нелинейный эффект связан с наличием слабой зависимости показателя преломления волокна от интенсивности светового потока, в

результате чего из двух волн с частотами νi и νj появляется две новые волны с частотами

νk и νl, причем по закону сохранения энергии νk + νl = νi + νj. Если новые волны попадают в

спектральные области существующих каналов, то возникают поперечные помехи между каналами.

Для улучшения транспортных свойств линии следует использовать механизмы:

уменьшать интервалы между каналами, но при этом необходимо принимать во внимание поперечные помехи за счет четырехволнового смещения FWM;

уменьшать число длин волн при большим количестве каскадов EDFA на длинных линиях.

не использовать слишком большую мощность вводимого в волокно излучения, которая приводит к сильному проявлению нелинейных эффектов в нем;

использовать оптические усилители с большой мощностью насыщения;

по возможности, уменьшать число оптических элементов, вносящих потери.