692_Zaslavskij_K.E._Uchebnoe_proektirovanie_

где акд –затухание компенсатора дисперсии, аат –затухание аттеньюатора. Для заданной в т.з. системы DWDM, необходимо составить таблицу технических данных усилителей.

Таблица 5.1. Данные применяемых усилителей

Заметим, что согласно рекомендации МСЭ G.692, в пролёте следует учитывать потери на сварках и изгибах. Поэтому. на λ =1.55мкм рекомендована величина коэффициента затухания ОВ αпр=0.28дБ/км.

Вопрос о необходимости компенсации дисперсии в каждом пролёте решается следующим образом. Известно [5,6], что ППЛ транспондеров характеризуются очень узкой спектральной линией (порядка 0.1нм и менее).

ε-«ухудшение» мощности сигнала (то есть, её уменьшение, ру,дБ) из-за случайного расширения импульсов (таблица 5.3).

Таблица 5.3

Параметр q=1/Q, где Q-скважность импульсов, с-скорость света, В-скорость передачи информации, Полученная величина lд0, должна быть не меньше величины lпр .соответствующей номинальному затуханию пролёта. Если lд0 < lпр ,то между каскадами LOA и РОА необходимо включить компенсатор дисперсии, который, как правило, выполнен на волокне DCF с

отрицательной дисперсией Dx длиной lкд и потерями акд,причём:

lкд lxDх / DОВ

lx lпр lд0

Вернёмся к примеру, и рассмотрим размещение усилителей в секции длиной L=699км. Для этого, пользуясь данными, приведенными в [1, стр.79], выберем вариант (14х22дБ) при длине пролёта lпр=80км.

Данные применяемых усилителей полезно отобразить в таблице.

Таблица 5.4.. Данные применяемых усилителей в примере расчёта

1.Находят число пролётов в секции: 699км=8х80км +59км, то есть, секция состоит из 8 пролётов с номинальной длиной 80км, и одного пролёта длиной

59км.

2.Выясняют, нужно ли компенсировать дисперсию в пролётах.

Для этого вычисляют длину lд0 по формуле (3) при ухудшении уровня

мощности ру =1дБ (ε =0.3) ,скважности импульсов Q =1(формат кода NRZ): lд0=π0.3*3*108 м/с/((20пс/нм*км)*(1.55 1/м)2*(1010 1/с)2 ) =58.8 км.

Таким образом, длина пролета, на которой не нужно компенсировать дисперсию - порядка 60км. В рассматриваемом примере в 8 пролётах нужно компенсировать дисперсию на длине lx= lпр - lд0 =80-60=20км, в одном пролёте компенсировать дисперсию не нужно (lпр =59км). Применим компенсатор дисперсии на ОВ DCF.Согласно[4,стр.56,рисунок

12

1.36],величина дисперсии в этом ОВ Dж =-100пс/нм*км при потерях (с учётом стыков и изгибов) αкд =0.6дБ/км. Из формулы (4) находим: lкл =20км * 100/400=5км, акд=0.6*5=3дБ. Величину коэффициента усиления вычислим по формуле (2):

g =22+3+0 =25дБ.

В пролете с lпр =59км, g= 59*0.28 =16.52дБ.Так как номинальное усиление усилителя g=22дБ,то между каскадами усилителя необходимо включить аттеньюатор с затуханием аат =22-16.52 =5.48дБ. Таким образом, в зтом примере секция содержит 8 линейных усилителей (LOA), коэффициент усиления которых g=25дБ, и один усилитель (РОА) с g=22дБ.

5.2. Расчёт диаграммы уровней и OSNR.Для заданного размещения усилителей в одной из секций сети (рисунки 1,2) построить диаграмму уровней и найти OSNR в одном канале, в интерфейсах MPIS,R,S усилителей и интерфейсе MPI-R.

Диаграмма уровней и OSNR вычисляются для одного спектрального канала. 5.2.1.Вычисляют уровень мощности одного канала в интерфейсе MPI-S по формуле:

где М -максимальное число каналов в системе, р = (1-2)дБ- допуск на точность установки уровня.

5.2.2.Вычисляют уровень мощности рKR1 на выходе первого пролёта (на входе первого LOA)

5.2.3.Пользуясь изложенной выше методикой, определяют по формуле (2) коэффициент усиления первого усилителя (LOA 1) g1.

5.2.4.Определяют уровень мощности сигнала на выходе LOA 1:

Далее повторяют этот расчёт для каждого пролёта секции и заканчивают расчёт определением уровня мощности сигнала на выходе РОА. Результаты расчётов заносятся в таблицу 5.1. Мощность сигнала на входе РОА РcRpoa должна быть больше чувствительности приёмника спектрального канала DWDM Pмин ,величина которой даётся формулой (9.б), [5,6]:

рcRpoa> рмин

где

Δfорт -оптическая полоса пропускания демультиплексора, Δfк-электрическая полоса пропускания канала, Q-фактор связан с вероятностью ошибки по битам (BER) формулой :

Q= (I1-I0}/( σ1 + σ0)

Здесь I1,I0 –средние значения фототоков при передаче единицы и нуля, соответственно ,σ1 , σ0 - среднеквадратические отклонения от средних значений фототока (то есть, это шумовые токи, возникающие при передаче 1 и 0,их выражения приведены в [5]).

13

5.2.5.Определяют уровень мощности помехи на выходах всех линейных усилителей LOA. Для этого воспользуемся теоретическими сведениями, приведенными в [1,5],согласно которым шум создаётся за счёт спонтанного излучения усилителя. Мощность этого шума на выходе усилителя рассчитывают по формуле:

где G-коэффициент усиления усилителя G=100.1g (g- дБ, G-разы), nsp - коэффициент спонтанного излучения, h-постоянная Планка,f-частота оптической несущей канала, Δfорт –оптический спектр канала. Эта величина обычно берётся равной ширине спектра прибораоптического анализатора спектра, ( Δfорт =12.5 ГГц, Δλк=0.1нм),который используется для настройки систем DWDM. Мощность шумов спонтанного излучения накапливается от усилителя к усилителю. Пусть на выходе бустера мощность шума (помехи) Рп0. Тогда на входе LOA1 мощность помехи:

Мощность помехи на выходе LOA-1:

где PASE1 –мощность спонтанного излучения на выходе LOA-1.,Fn- коэффициент шума усилителя.Аналогично рассчитывается мощность помехи на выходе LOA-2,тодько теперь на входе второго пролёта мощность помехи выражается равенством (12), поэтому мощность помехи на выходе LOA-2:

В общем случае, мощность шума Рп(n+1) (на выходе POA) можно определить

Часто мощности выражают в уровнях мощности. Тогда из равенств (15,16) получим:

Подставляя в (18) значение мощности Рп1 из (10), найдём:

14

(где а1 (дБ) - потери в пролёте,Fn (дБ)-коэффициент шума усилителя,h- постоянная Планка,f-частота оптической несущей данного спектрального канала, Δfопт-спектр канала, Δfопт =12.5ГГц, (Δλк=0.1нм).

Таким образом, на выходе РОА, мощность сигнала рассчитывается по формуле (9б), а мощность помехи - по формуле (19). Теперь можно определить оптическое отношение сигнал/помеха:

Полученное значение OSNR должно быть больше или равно требуемому значению, которое определяется по формуле, приведенной в [6]:

где кг- коэффициент гашения : кг=Р(0)/Р(1). Р(1),Р(0)-мощности сигнала на входе приёмника системы при передаче единицы и нуля, соответственно. Обычно задан коэффициент экстинции э=10lg(1/кг)дБ (таблица 5.5,[6])

Таблица 5.5

уровне 3дБм. Оптическая полоса определяется полосой пропускания канального фильтра демультиплексора. Электрическая полоса зависит от скорости передачи, причём, её величина может быть разной для сигнала и для шума. Например, в [6] для В=10Гбит/с приводятся значения Δfopt=50ГГц, Δfк=8ГГц, Δfш=(10-12)ГГц. Однако при расчётах величина Δfopt

=12.5ГГц.

Вернёмся к примеру (рисунок 1).

1.Определим чувствительность приёмника системы DWDM по формуле (9б). При этом полагаем: Δfк=10ГГц, Δfopt =12.5ГГц,Q=7, Fn=5,f=193ТГц. Получим:

Рмин =7*10-7Вт, рмин=-31,5дБм.

Рассчитаем мощность сигнала на выходе РОА.Для этого по формуле (7) определим мощность сигнала на выходе бустера (ВОА):

рк=19 -10lg40-1=19-16-1=2дБм,

Полагая, что в каждом пролёте выполняется соотношение (2),то есть, что потери в пролёте ,компенсаторе дисперсии ,в аттеньюаторе точно компенсируются усилением усилителя, находим, что уровень сигнала на выходе РОА восстанавливается: рроа=рк. Следовательно, уровень мощности на входе РОА:

рRpoa =рк-gpoa=2-22=-20дБм.

Эта величина с значительным запасом превышает величину рмин.

2.Найдём мощность помехи на выходе РОА. Так как секция содержит 8 пролётов с одинаковыми потерями и усилители точно компенсируют эти потери, то используя соотношения (17,18), найдём:

рп(n+1}=10lg(8Pп1+Pп9) Fn /1мВт

15

Так как коэффициент усиления g1 =25дб,g9=22дБ,,то Р9=(102.2/102.5)Р1 =0.5Р1. Следовательно,

рп9 =10lg8.5 +25+7+10lg (6.62*10-34 *193.3*1012*12.5*109)/1мВт7)=41.3-58=- 16.7дБм.

Следовательно, оптическое отношение С/П: OSNR= рк-рg9 =2-(-16.7) =18.7дБ.

Полученную величину OSNR необходимо сравнить с требуемым значением OSNRт. Согласно [6,п.9.6.], его величина определяется по формуле (21): OSNRт = 49(10/12.5)(1+0.1)/(1-(0.1)1/2)2=20.16,или:

OSNRт =10lg20.16 =13.04дБ, (22) То есть, OSNR>OSNRт с запасом 5дБ.

Таблица 5.6 Результаты расчёта параметров секции

6.Особенности проектирования когерентных систем. Когерентные системы со спектральным уплотнением начали применяться на оптических сетях с начала ХХ1 века. Их особенностями являются [5,7]: высокие скорости передачи по спектральным каналам (100Гбит/с и выше), наличие когерентного детектора в приёмнике, многофазовая модуляция, (чаще всего PDQPSK) в передатчике, применение электронных схем компенсации дисперсии в приёмнике, отсутствие оптических компенсаторов дисперсии, широкое применение динамической коррекции ошибок в транспондерах (FEС), ,широкое применение усилителей Рамана и дистанционной оптической накачки усилителей EDFA для увеличения дальности связи. Все упомянутые методы увеличения дальности связи могут применяться (и применяются) в системах DWDM с прямым детектированием, но с значительно меньшей эффективностью.

В таблице 6/1 приведены данные уровней иерархии OTU-N при применении динамической коррекции ошибок (FEC), из которой следует, что даже при скорости передачи 100Гбит/с величина OSNRт ниже этой величины для систем DWDM с прямым детектированием (см. равенство 22).

16

Таблица 6.1

Примечание. Вл -скорость передачи в канале с учётом FEC

Поэтому, при проектировании, целесообразно предполагать следующее: во всех транспондерах системы применяется модуляция PDQPSK и динамическая коррекция ошибок (FEC),применяется электронная компенсация дисперсии в приёмнике системы, поэтому в формуле (2) акд=0.Так как применяется когерентный детектор, помеха на выходе РОА определяется биениями сигнала гетеродина с составляющими спектра спонтанного излучения РОА. Поэтому, чувствительность приемника определяется не формулой (9б), а приведенной ниже формулой (23) [5], а требуемая величина OSNRт -алгоритмом динамической коррекции ошибок

(FEC), (таблица 6.1).

6.1Расчёт магистрали с когерентной системой DWDM.

1.Исходя из известного значения OSNRт, находят чувствительность приёмника когерентной DWDM (то есть, минимально-допустимый уровень оптической мощности на входе РОА) [5] :

Здесь Δfе- электрическая полосы пропускания канала на уровне 3дБ, Q- фактор соответствует вероятности ошибки рош =10-12 и ниже,в частности, можно принять Q =7.

2.Определяют уровень мощности в канале, в интерфейсе MPI-S по формуле

(7).

3.Находят потери и длину пролёта, исходя из соотношений:

4.Так как оптический компенсатор дисперсии отсутствует, то коэффициент усиления усилителя (РОА) равен потерям в пролёте:

g=апр .

5. Если магистраль содержит более одного пролёта,в формуле (24) в качестве параметра рмин следует использовать чувствительность линейного усилителя

EDFA.

6.2. Применение усилителей Рамана.

При необходимости, увеличить длину пролёта можно, используя совместное включение усилителя Рамана, BOA, PОА (рисунок 2).

17

Рисунок 3. Совместная работа усилителей Рамана и EDFA

На рисунке 3: Gs ,G1–коэффициенты усиления бустера (ВОА), и предусилителя (РОА),соответственно, причём, предусилитель компенсирует также потери, вносимые устройством разделения длин волн накачки и

где gR =0.64510-13 м -удельный коэффициент усиления Рамана на длине волны 1.55мкм,le =1/αк(1-е-αl) –эффективная длина ОВ,Pр(l) –мощность накачки,Аe-эффективное сечение моды,αs –потери в ОВ на заданной длине волны, l-длина пролёта.

Заметим, что коэффициент усиления Рамана

Как следует из (25.26),TR фактически является коэффициентом передачи между входом и выходом ОВ. Исходя из этого, и пользуясь выражением (25), определяют величину ТК по формуле:

Кроме того, для восстановления мощности сигнала на выходе PОА, необходимо выполнить условие:

TRG1 C

где С -постоянная. Например, при С=1,Рсs1=Рсs.

18

Приравнивая между собой равенства (26) и (27),находят длину пролёта I (рисунок 3) .

При этом учитываем, что усилитель Рамана практически не шумит (то есть, его коэффициент шума FnR<=1) [9],и шумы,в основном, определяются шумами спонтанного излучения EDFA.

Величину OSNRт определяют для различных скоростей передачи из таблицы

6.1.

Проиллюстрируем изложенные положения примерами. Пример 1.Определить мощность накачки Рр усилителя Рамана

для скорости передачи иерархии ОТU-4, для пролёта длиной l=200км ,SMF, Ae=80мкм2 ,gR=0.645*10-13 м/Вт ,при требуемом значении OSNRт =12.5дБ. Величину TR найти для λ=1.55мкм (f=193.1ТГц),коэффициент шума POA Fn1=4,величина Gs=100 (20дБ) . потери αs=0.22дБ/км (0.05 1/км).

Решение.

Мощность накачки находят из соотношения (26):

Для OTU-4 (B=120Гбит/с) из (27а) найдём: Рсs1>0.11мВт. Выбираем величину Рсs1=1мВт,и из (27) находим: TR=1,236*10-3 .Положив величину le=1/ αк =20км,из (30) определим: РР=0.6 Вт.При найденной величине ТR определим коэффициент усиления,POA,при котором на его выходе восстанавливается мощность сигнала Рсs : G1 =1/ ТR =809, то есть,PОА должен поддерживать величину коэффициента усиления g1=10lg 809= 29.1дБ,а с учётом потерь вносимых устройством WDM (аwdm =3дБ), g1=32дБ.

Пример 2. Расчёт длины пролёта с усилителем Рамана при заданной мощности накачки. Выберем когерентную DWDM «Волга» [7], при скорости передачи в спектральном канале 120Гбит/с и мощности накачки усилителя Рамана РP (l) =1Вт. из (30) найдём длину пролёта, соответствующую этой мощности накачки.

Подставив в (28) данные из примера 1,найдём величину l=357км. Принято, однако, величину OSNR брать с запасом 3-5дБм [6]. Так, если OSNRт =15.5дБм, ,из (28) получим длину пролёта l=259км. Практически максимальная длина пролёта при совместной работе усилителей Рамана и EDFA не превышает 250км [7] . Это позволяет сократить число пролётов в протяжённых секциях. Так, при длине секции 699км, и длине пролёта l=80км,секция содержит девять пролётов. Применяя когерентную DWDM с усилителем Рамана при накачке Р(l)=1Вт , можно получить всето три пролёта длиной 233км каждый (233*3=699км.

Заметим, что при реальном проектировании, оборудование систем DWDM, устанавливается в населённых пунктах, и, следовательно, расстояние между

19

ними известно. В этом случае ,приравнивая между собой равенства (26) и (27) ,находят OSNR и сравнивают с требуемым:

где величина TR дана формулой (26).

При этом должно выполняться неравенство: OSNR> OSNRт .

Пример 3. Рассчитать OSNR при длине пролёта l=250км,мощности сигнала в спектральном канале Р=1мВт, мощности накачки Р=1Вт. скоростях передачи В, сооветствующих OTU-2 и OTU-4, потери в ОВ SMF αs =0.28Дб/км (0.0645 1/км) ,Ае =80мкм2 , le =20км,частоте излучения f=193.5ТГц, коэффициенте шума EDFA Fn =4, Gs=100. По этим данным из (27) найдём, что ТR =1, а из

(29) получим: при В=11.1Гбит/с, OSNR= 33дБ, при В =120Гбит/с, OSNR =12дБ. В первом случае величина OSNR превышает требуемое значение с большим запасом, во втором случае - равна требуемому значению. Из этого примера можно сделать вывод, что применяя в оптическом линейном тракте когерентных систем DWDM усилители Рамана, можно передавать на большие расстояния (порядка 250км) значительные объёмы информации без применения дорогостоящих эрбиевых линейных усилителей.

7. Разработка схемы организации связи.

Схема организации связи (CОРС) является основным документом проекта. В этом разделе необходимо пояснить, как организуются связи между пунктами, указанными в Т3. Отмечаются особенности организации связи в пунктах транзита спектральных каналов, обосновываются принимаемые проектные решения по структурам cистем DWDM в каждом пункте. Схема организации связи должна содержать структурные схемы сетевых узлов(А, Б, Г,…).На этих схемах в каждом узле указываются: гибкие МТ, оборудование по протоколу Ethernet, оборудование SDH и, конечно, оборудование DWDM. СОРС содержит наименование всех типов компонентных потоков (нагрузок) на ГМТ и их количество, указываются направления их передачи (A- Б, А- Г). Все компонентные потока, потоки (Е1, …S1) и МТ должны быть пронумерованы. Рекомендуется сквозная нумерация (слева направо по чертежу СОРС), и сверху вниз. Номера цепей нагрузок должны быть одинаковы в тех пунктах, между которыми эта информация передается. На СОРС указываются линейные усилители, длины пролётов, маркировка оптических кабелей, участков и секций. Пример СОРС приведен в [1, стр.127, рисунок 4.4]. СОРС предварительно вычерчивается в черновом варианте, который утверждается руководителем проекта.

8. Выбор аппаратуры электропитания проектируемых узлов связи.

Проектируемое оборудование питается постоянным током от аппаратуры э/питания. Обычно э/питание осуществляется от аккумуляторной батареи, работающей в буфере с выпрямителем. Современное оборудование э\питания содержит малогабаритные необслуживаемые аккумуляторы (основной и

20