692_Zaslavskij_K.E._Uchebnoe_proektirovanie_

Федеральное агентство связи

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики»

(СибГУТИ)

К. Е. Заславский

Учебное проектирование оптических трактов волоконно-оптических системам передачи со спектральным уплотнением

Учебное пособие

Новосибирск

2016

УДК.621.391.6681.324

Утверждено редакционно-издательским советом СибГУТИ

Рецензент: профессор Горлов Н. И.

Заславский К. Е. Учебное проектирование оптических трактов волоконно-оптических систем передачи со спектральным уплотнением : Учебное пособие. / Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики. – Новосибирск, 2016. – 27 с.

Учебное пособие предназначено для студентов СибГУТИ, обучающихся по направлению подготовки бакалавров 11.03.02, специальность «Оптические сети и системы связи». Рассмотрен порядок проектирования оптических трактов систем со спектральным уплотнением, в том числе и когерентных систем. Пособие может быть полезно магистрантам, аспирантам, и научным работникам, которых интересует данная тематика.

Кафедра «Многоканальная электросвязь и оптические системы передачи»

В авторской редакции

©Заславский К. Е., 2016

©Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики, 2016

2

3

Введение

Волоконно-оптические системы передачи разрабатываются и работают на телекоммутационных сетях примерно с 1976г. Стремительный прогресс в развитии этих систем привёл к тому, что в настоящее время проводные сети всех типов строятся только на оптическом кабеле (в основном, одномодовом), на оптических волокнах которого работают ВОСП как иерархий PDH и SDH, так и системы со спектральным уплотнением (DWDM). Важнейшим требованием к специалистам, работающим в сфере телекоммуникаций и электросвязи, является умение проектировать и рассчитывать основные параметры и характеристики трактов и каналов ВОСП. Конечно, в уже изданных учебниках и пособиях[1.5,6] так или иначе эта тема рассматривается, но систематическое изложение вопросов проектирования и расчёта упомянутых трактов и каналов систем DWDM нет. Цель настоящего пособия – пояснить решения задач по расчёту и проектированию трактов и каналов систем DWDM,возникающих в ходе учебного процесса по данной тематике. Заметим, что данное пособие основывается на ранее изданном учебном пособии [1], и дополняет его.

1.Порядок проектирования сети, содержащей системы DWDM

1.На карте местности отметить заданные в т.з. населённые пункты, выбрать пункты, в которых расположены сетевые узлы (СУ), и разработать кольцевую топологию сети, соединив эти пункты оптическим кабелем

.Представить структурную схему сети. Данные ОК представить в таблице 5.1 2. Рассчитать нагрузку сети по направлениям и по секциям. Результаты

отобразить в таблицах 4.1и 4.2.

3.На рисунке привести структурную схему заданной системы DWDM (примеры приведены в [1], гл.3).

4.По результатам выполнения п.2 и учитывая частотный план системы DWDМ, указать соответствующие номера каналов в каждой секции. Результаты отобразить в таблице 4.3.

5.Пользуясь техническими данными системы DWDM, составить таблицу 5.1. технических данных оптических усилителей.

6.Разместить оптические усилители во всех секциях сети, указав соответствующие длины пролётов. Результат размещения представить на соответствующих структурных схемах (см. рисунок 2).

7.Привести расчёт заданной в т.з. оптической магистрали. Результаты расчёта отобразить в таблице 5.6.

8.Разработать схему организации связи для проектируемой сети.

0.Рассчитать необходимые мощности источников питания для каждого сетевого узла и выбрать соответствующий тип питающей установки.

10.В каждом п. рассчитать ёмкости оптических и электрических кроссов,

иих количество. Выбрать фирмы-производители этого оборудования.

11.Пользуясь результатами, полученными в п.п. 4, 5, 7, 8, 9, произвести

комплектацию оборудования в каждом узле сети. 4

12. Разработать схему прохождения цепей по ЛАЦ, с указанием цепей питания оборудования.

13. Разработать схему управления сетью.

2.Типы сетей связи в РФ. Топология сетей. Согласно «Закону о связи», в

Российской федерации (РФ) cуществуют следующие виды сетей связи: -сеть общего пользования, - ведомственные сети,

=сети специального назначения.

=технологические сети,

Входе учебного проектирования наибольшее внимание уделяется изучению сетей общего пользования.

Сети общего пользования могут быть построены последующим топологиям: точка-точка, кольцевой, радиально-кольцевой [2].

3.Оптический кабель и системы передачи. Для организации проектируемых сетей, целесообразно выбрать оптический кабель (ОК) с одномодовыми волокнами SSMF (рек.ITU-T G-652.D).Технология производства этого кабеля хорошо отработана (кабель выпускается более 25 лет), его параметры отличаются стабильностью и повторяемостью даже при производстве разными заводами. В настоящее время достигнута минимальное значение величины потерь в этом кабеле: α <=0.18дБ/км [6] Хроматическая дисперсия в ОВ D=18пс/нм*км, что приводит к необходимости применения компенсаторов дисперсии. Наконец, что немаловажно, стоимость этого кабеля минимальна по сравнению со стоимостью ОК других типов ( с ОВ DSF,NZDSF,и.т.д.). Волоконнооптические системы передачи, работающие по этому кабелю, могут быть одноканальными (системы SDH,комплекты оборудования по протоколу Ethernet, и т.д.), либо многоканальными (системы CWDM,DWDM,и.т.д.).Вопрос о выборе той или иной системы, следует решать на основе параметра C=BL,который в дальнейшем будем называть пропускной способностью участка сети. Здесь В - информационная скорость передачи (бит/с),L-длина участка сети (пролёта). Заметим, что в величине В должны быть учтены скорости резервных цифровых потоков, с помощью которых защищается информация.

По имеющимся данным, на большинстве сетей общего пользования РФ всё ещё работают системы SDH,STM-N,где N=4,16,64.Преимущества STM-N известны: значительное количество разнообразных интерфейсов (I,S,L,V,U),с помощью которых можно организовывать участки сети в широком диапазоне длин (15-120)км, возможность передачи разнообразной информации (голос, данные (FE,GE,10GE и.т.д.)), широкие возможности защиты информации (SNCP,MS-Spring, и т.д.), возможность применения цифровых переключателей (матриц) большой ёмкости, возможность выделения заданных цифровых потоков в любом СУ сети. Кроме того, предусмотрены регенераторы, позволяющие получить практически любую дистанцию связи. Однако, современные тенденции развития пропускной способности участков

5

сети предусматривают, прежде всего, увеличение скорости передачи. Так, увеличение скорости передачи до 40 Гбит/с, потребует уровня STM N=256.Такие системы на сетях РФ используются достаточно редко. Тогда можно прибегнуть к пространственному уплотнению, использовав 4 оптических пары в ОК. Однако, в давно эксплуатирующемся кабеле все ОВ могут быть занятыми. В этом случае целесообразно использовать ВОСП со спектральным уплотнением DWDM, или CWDM.Оборудование последней значительно дешевле соответствующего оборудования DWDM, в основном, за счёт применения недорогих приёмо-передающих модулей, отсутствия оптических усилителей (EDFA). Однако, длина пролёта для этих систем не превышает 80км, а скорость передачи в каждом из 16 спектральных каналов при такой длине порядка 2.5 Гбит/с. При этом использование всех 16 каналов проблематично, так как необходимо компенсировать хроматическую дисперсию не только в спектральных диапазонах L и C,но и в диапазонах О,Е,S,[3].Оборудование CWDM некоторых фирм поддерживает скорость В=10Гбит/с, однако длина пролёта при этом уменьшается до (40-60)км. Заметим, что общая длина сети может быть весьма значительно (до 1000км и более). В этих условиях, при большом количестве транзитных СУ в кольце, вероятность ошибки (ВЕR) в самом протяженном канале может не соответствовать норме. Более оптимальным решением является применение более дорогих, чем CWDM,систем DWDM, которые позволяют только в диапазоне С организовать до 80 и даже более спектральных каналов со скоростью передачи Вk=(10,40,100)Гбит/с в каждом канале. Пропускная способность таких систем весьма велика: С=NBkL. Cкорость передачи в ОВ может достигать таких значений как 1Тбит/с и более. Особенный интерес представляют когерентные DWDM,транспондеры которых содержат устройства для динамической коррекции ошибок (FEC),и оптические модуляторы DQPSK,что позволило снизить величину требуемой OSNR c 20 до 9дБ при скорости В=10Гбит/с и порядка 11,5дБ при В=40Гбит/с, при величине ВЕR=10-12 [7]. Хроматическая дисперсия в каждом канале компенсируется в процессе цифровой обработки сигнала в фотоприёмнике. Это позволяет увеличить длину пролёта, так как компенсаторы дисперсии в оптическом тракте отсутствуют, Кроме того, в этих системах применяется оборудование ROADM, используя переключатели которого, можно организовать защиту типа SNCP в каждом спектральном канале.

4.Расчёт нагрузки сети. Проектирование сети ведётся согласно техническому заданию (т.з.). Прежде всего, необходимо рассчитать нагрузку (то есть, скорость передачи) в заданных сетевых узлах и направлениях передачи.

Пример 1.Рассчитать нагрузку в каждом направлении, согласно данных т.з. Для этого определить скорость передачи суммарного числа цифровых потоков.

Топология сети точка-точка показана на рис.1.

6

Система передачи Spectral Wave 40/80 DWD (NEC). Скорость передачи по спектральному каналу В=10Гбит/с .LА-Б=699км, LБ-В =800км.

1.Ц.П. Е1 И Е3 можно объединить в соответствующие STM-N.Поэтому число потоков умножают на скорость передачи V-12 и VC3,соответственно (приложение 1).

Рассчитаем суммарную скорость передачи потоков Е1 и Е3 в направлениях А-Б и А-В:

ВА-Б=100*2240+10*48960=713,6Мбит/с,ВА- В=200*2240+8*48960=846,88Мбит/с.

Скорости остальных ЦП, заданных в ТЗ известны ( приложение 1), поэтому результаты расчётов следует свести в таблицу 4.1.

Таблица 4.1 Результаты расчёта нагрузки по направлениям (в Гбит/с)

Примечание.Рр=РЕ1+….+Р10GE

В частности, для рассмотренного примера заполним таблицу 5. 1:

7

Таблица 4.1 Результаты расчёта нагрузки по направлениям (в Гбит/с)

Далее, необходимо рассчитать скорости передачи на каждом участке сети, и результаты расчёта свести в таблицу 4.2.

Таблица 4.2 Результаты расчёта нагрузки по секциям (участкам) сети (в Гбит/с)

В приведенном выше примере (рисунок 1) две секции: А-Б, Б-В. Через секцию А-Б проходит вся нагрузка как в направлении А-Б, так и в направлении А-В., а в секции Б-В проходит нагрузка только в направлении А-В. Поэтому, таблица 4.2. для этого случая выглядит так:

Таблица 4. 2 Результаты расчёта нагрузки в секциях сети (в Гбит/с)

Для расчёта числа спектральных каналов на каждом направлении и в секции, необходимо знать допустимую скорость передачи Вк в спектральном канале, заданной в технических данных системы DWDM . Тогда число каналов:

N =BP/Bk (1)

Результаты расчёта представляют в виде таблицы 4.3.

8

Таблица 4. 3.

Результаты расчётов числа спектральных каналов по направлениям в секциях сети

Для рассматриваемого примера , считая, что скорость передачи в канале Вк = 10Гбит/с ,используя равенство ( 1),получим таблицу:

Таблица 4. 3.

Результаты расчётов числа спектральных каналов по направлениям в секциях сети

Теперь, пользуясь техническими данными DWDM, необходимо указать номера каналов и их оптические несущие. Эти данные следует свести в таблицу 4 4.

Таблица 4.4 Распределение каналов по спектру системы, и их оптические несущие (в нм) в секциях сети

5.Расчёт магистрали с системой DWDM (топология точка-точка).

Рисунок 2. Структурная схема секции

При проектировании вначале следует, согласно техническому заданию (Т.З.), разработать трассу прокладки ОК, так, чтобы она проходила вдоль автомобильных дорог и через заданные сетевые узлы. При этом следует использовать оптический кабель, тип которого указан в т.з., либо выбран проектировщиком. Оптические параметры этого кабеля и его маркировку

(терминалы), усилители, мультиплексоры ввода-вывода МВВ(OADM,англ.). В тех точках сети, где по заданию не нужно выделять каналы, размещаются терминалы. Там, где необходимо выделить (ввести) каналы, размещаются МВВ.(OADM, или ROADM). В приведенном выше примере терминалы размещаются в п. А и В, а в п. Б размещается МВВ.

Структурная схема оптического тракта системы DWDM показана на рисунке 2.1. в учебном пособии [1].

5.1.Размещение усилителей в секции. На рисунке 2 показана секция системы DWDM, которая содержит n пролётов длиной lпрi каждый, и усилители: оконечный или бустер (BOA), предусилитель (РОА), линейный (LOA). Для размещения усилителей в заданных секциях сети, необходимо знать их (усилителей) основные параметры. Обычно в технических данных DWDM приводится число пролётов в секции магистрали и номинальное затухание (потери) в пролёте. Например. для применяемой в примере системы в диапазоне С, при числе каналов N=40 и скорости передачи 10Гбит/с, допускается 14 пролётов в секции при затухании в каждом пролёте 22дБ (что соответствует длине пролёта на ОВ SMF порядка lпр = 80км). Краткое обозначение: 14х22дБ. При этом, длина секции : L=14х80 =1120км. Допускаются и иные варианты размещения [1,стр79],например, 6х30дБ. Это означает, что секция содержит 6 пролётов при потерях 30дБ в каждом пролёте. При этом длина пролёта lпр =131км, а длина секции L=655км. Усилитель должен компенсировать потери в пролёте: g=aпр , где апр –потери в пролете (дБ),g-коэффициент усиления усилителя (дБ). Практически, однако между каскадами оптического эрбиевого усилителя может быть включён компенсатор дисперсии прилегающего к усилителю пролёта , и аттеньюатор. Поэтому, коэффициент усиления усилителя:

10