Fokin_Kogerentnye_opticheskie_seti_

Вгл. 4 рассматривается формирование оптических сигналов в передатчиках: формирование оптических сигналов с фазовой, многоуровневой амплитудной и смешанной модуляцией; характеристики промышленных когерентных передатчиков (кодеры цифровых блоков). Дается оценка спектральной эффективности формирования оптических сигналов и проблемы при их передаче в оптических каналах.

Вгл. 5 рассматриваются принципы детектирование оптических сигналов в когерентных приемниках: способы построения фотодетекторов, характеристики промышленных когерентных приемников (декодеры цифровых блоков). Дается оценка отношения сигнал/шум OSNR (Optical Signal Noise Ratio) на выходе когерентного оптического приемника и оценка некогерентности детектирования на приеме.

Вгл. 6 приводятся сведения о оптических усилителях в когерентных системах передачи: волоконные оптические усилители с редкоземельными элементами и их характеристики; волоконные рамановские усилители и их характеристики.

Вгл. 7 приводятся сведения по оптическим трансмиттерам, транспондерам

имукспондерам: структура и характеристики транспондеров (с примерами); структура и характеристики мукспондеров (с примерами).

Вгл. 8 представлены оптические мультиплексоры и коммутаторы: терминальные оптические мультиплексоры; оптические мультиплексоры OADM/ROADM; оптические (фотонные) кросс-коммутаторы.

Вгл. 9 рассматриваются определение и виды сетевых элементов оптических транспортных сетей, а также конфигурации данных сетей и способы защиты соединений в них.

Вгл. 10 приведены стандарты и характеристики оборудования когерентных оптических сетей. Мультисервисные транспортные платформы когерентных сетей.

Вгл. 11 представлены статистическая и динамическая маршрутизация оптических каналов в когерентной оптической сети, а также сети с автоматической коммутацией ASON.

Вгл. 12 приведены расчеты характеристик передачи в оптических каналах

исекциях когерентной сети и их практическое применение.

Вцелом содержание пособия рассчитано на специалистов и подготовленых студентов, изучивших основы техники оптической связи, технологии пакетной передачи и цифрового мультиплексирования и передачи.

11

1. ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ СИСТЕМ ПЕРЕДАЧИ

1.1. Основные определения оптических систем передачи и оптических сетей. Структурные схемы ВОСП

Под системой передачи принято понимать комплекс технических средств, обеспечивающих образование линейного тракта, типовых групповых трактов и каналов передачи первичной сети. На рис. 1.1 представлена предельно упрощенная схема оптической системы передачи. В ее структуре выделяются: среда передачи; секция передачи с промежуточной станцией (ПС); оптический тракт; секция мультиплексирования; тракты и каналы передачи информации пользователей. При этом линейным трактом называют комплекс технических средств, обеспечивающих передачу сигналов электросвязи в полосе частот или со скоростью соответствующей данной системе передачи. В зависимости от среды распространения линейный тракт называют кабельным (волоконно-оптическим, электрическим), радиорелейным (оптическим или радиочастотным), спутниковым или комбинированным, а по типу системы передачи – аналоговым или цифровым.

Согласование между электронным оборудованием и оптической средой передачи в оптической системе обеспечивают оптические конверторы (ОК), которые также называют медиаконверторами. Промежуточные станции в оптическом линейном тракте могут быть представлены как оптическими устройствами, например, оптическими усилителями сигналов, так и комплексными изделиями с ОК и электронными схемами усилителей и регенераторов оптических сигналов. В терминальных станциях (ТС), которые, как правило, размещаются в сетевых узлах или сетевых станциях, создаются аппаратными и программными средствами групповые тракты и каналы передачи информации пользователей. При этом в составе группового тракта может находиться от одного до нескольких десятков и сотен каналов пользователей. Групповые тракты и каналы объединяются в секции мультиплексирования в сигнал оптического тракта. Такие сигналы также называются агрегированными (сборными), т. к. к ним добавляются служебные каналы с целью поддержки технической эксплуатации среды передачи, промежуточных станций, оповещения терминальных станций и служебной связи.

Тракт групповой представляет собой комплекс технических средств, предназначенный для передачи сигналов электросвязи нормализованного числа каналов, например, тональной частоты (КТЧ) или основных цифровых каналов (ОЦК), в полосе частот или со скоростью передачи, соответствующей данному групповому тракту. В зависимости от нормализованного числа каналов групповой тракт называют первичным, вторичным, третичным, четверичным или N-ым. В системах передачи под каналом передачи принято понимать комплекс технических средств и среды распространения, обеспечивающий передачу сигналов электросвязи в определенной полосе частот (например, оптический спектральный канал с полосой 50 ГГц) или с определенной скоростью передачи (напри-

12

мер, ОЦК 64 кбит/с) между сетевыми станциями, сетевыми узлами или между сетевой станцией и сетевым узлом, а также между сетевой станцией или сетевым узлом и оконечным устройством первичной сети. Каналы подразделяются на аналоговые и цифровые.

Рис. 1.1. Структурная схема оптической системы передачи

Для их согласования применяются аналогово-цифровые и цифроаналоговые преобразователи (АЦП и ЦАП) в цифровых системах, модемы с кодерами и декодерами в аналоговых системах, к которым относят системы ВОСП-WDM. Например, в зависимости от скорости передачи сигналов электросвязи цифровой канал называют основным (ОЦК), первичным (ПЦК, 2048 кбит/с), вторичным (ВЦК, 8448 кбит/с), третичным (ТЦК, 34368 кбит/с), четверичным (ЧЦК, 139264 кбит/с) и т. д. Канал может предоставляться различным пользователям по их запросам через средства коммутации, например, АТС или оптический кросс-коммутатор с транспондерным блоком, или закрепляться за пользователями на какой-либо временной период (аренда).

Совокупность линейных трактов систем передачи и (или) типовых физических цепей, имеющих общие линейные сооружения, устройства их обслуживания и одну и ту же среду распространения в пределах действия устройств обслуживания называют линией передачи. В зависимости от первичной сети, к которой принадлежит линия передачи, ее называют: магистральной, внутризоновой, местной.

Сеть первичная – совокупность типовых физических цепей, типовых каналов передачи и сетевых трактов, образованная на базе сетевых узлов, сетевых станций, оконечных устройств первичной сети и соединяющих их линий передачи.

13

Цифровые волоконно-оптические системы передачи и оптические системы со спектральным уплотнением (WDM) являются основой для построения транспортной сети связи Российской Федерации.

Транспортная сеть – рассматривается как совокупность ресурсов систем передачи (каналов, трактов, секций), относящихся к ним средств контроля, оперативного переключения, резервирования и управления, предназначенных для переноса информации между заданными пунктами. Составной частью транспортной сети являются сети синхронизации и управления. Транспортные сети (по существу это первичные сети) строятся преимущественно на основе воло- конно-оптических систем передачи.

Ниже, на рис. 1.2 и 1.3 представлены общие структуры оптического конвертора и промежуточных станций.

Рис. 1.2. Структура оптического конвертора

Структура ОК содержит три самостоятельных модуля: модуль оптического передатчика (верхний на рисунке); модуль оптического приемника (нижний на рисунке); модуль схем электропитания, управления и сигнализации.

В модуле передачи выделены три основные блока: согласующее устройство передачи СУпер.; формирователь линейного сигнала (ФЛС); модуль излучателя и модулятора. СУпер. в цифровых системах предназначено для преобразования информационного сигнала (ИС) из параллельной формы представления (8–16 разрядной шины микропроцессора), получаемой от цифрового оборудования мультиплексора, в последовательную побитовую форму, согласованную тактами синхросигнала. ФЛС преобразует последовательность информационных бит в сигнал для модуляции оптического излучения. При этом в сигнале гарантируется сохранение тактов, которые необходимы для синхронизации приемника цифровых данных. Излучатель оптического передатчика формирует, как правило, когерентное узкополосное излучение определенной длины волны и мощности, т. е. оптическую несущую частоту. В модуляторе производится управление мощностью излучения или фазами оптических импульсов. Сфор-

14

мированный оптический сигнал направляется в среду передачи Опер. (стекловолокно, пластиковое волокно или в воздушную атмосферу).

Приемный оптический модуль представлен четырьмя блоками с функциями, которые обратны функциям блоков модуля передачи.

Оптический сигнал, прошедший через оптическую среду, поступает на вход приемного модуля (Опр.). При этом сигнал, как правило, многократно ослаблен, искажен и содержит помеховые компоненты (аддитивные и мультипликативные шумы различного происхождения: шумы оптического передатчика, квантовый шум оптических усилителей, шумы от нелинейных эффектов в волоконной линии). Фотодетектор (ФД) преобразует оптическое излучение в электрический ток, а предварительный электрический усилитель увеличивает амплитуду детектированного сигнала вместе с помехами. Этот усилитель выполняется на основе малошумящих компонент и имеет коэффициент усиления всего в несколько десятков раз, что способствует минимальному добавлению помех приемника к принятому сигналу. С помощью корректора (К) устраняются внеполосные помехи и частично корректируются линейные искажения сигнала, вызванные, как правило, дисперсией в волокне, что способствует в целом поддержанию определенного соотношения сигнал/шум на выходе усилителя мощности (УМ). Регенератором сигнала восстанавливаются такты импульсов линейного сигнала и временные позиции этих импульсов, т. е. фронт и срез. Выделенный в РС синхросигнал обеспечивает синхронное преобразование сигнала из линейного в сигнал шинной (параллельной) структуры и его передачи в цифровое оборудование мультиплексора.

Модуль электропитания, управления и сигнализации, являясь вспомогательным, позволяет поддерживать исправными функции оптической передачи и приема, сигнализировать о неисправностях, производить оперативную диагностику, блокировку передатчика в случае повреждения, сообщать о понижении уровня сигнала на входе оптического приемника и т. д.

Промежуточные станции оптической системы могут быть представлены оптическими усилителями, которые увеличивают мощность оптических сигналов, передаваемых как на одной оптической несущей, так и на многих раздельных по спектру несущих частотах. При использовании промежуточной станции в качестве регенератора она оснащается парой ОК, что необходимо для оптоэлектронного и электрооптического преобразования восстанавливаемого сигнала, который передается на одной оптической несущей частоте.

Учитывая, что в современных оптических системах передачи преимущественно используется волоконно-оптический кабель с кварцевыми волокнами, имеющими широкую полосу пропускания сигналов (примерно от 5 ТГц до 60 ТГц), а скорости цифровых систем передачи достигли только величин в 100 Гбит/с, актуальным является использования принципа спектрального уплотнения волокон.

При этом в одном волокне, но чаще в паре волокон, можно организовать передачу одновременно десятков и сотен отдельных цифровых сигналов на отдельных оптических несущих частотах (рис. 1.4).

15

Рис. 1.3. Виды промежуточных станций оптической системы передачи в обозначениях

Организуемые таким образом отдельные оптические каналы (часто обозначаемые символом λ) можно группировать в оптических секциях мультиплексирования, обеспечивать оптическими средствами доступ к отдельным каналам, т. е. оптическим мультиплексором выделения/ввода OADM, что, естественно, делает оптические системы более гибкими и производительными для потребителей ресурсов этих систем. Так, цифровые мультиплексоры (DMX) могут быть представлены различными технологиями мультиплексирования пакетов и циклов. В транспондерах (TPD) производится перенос оптических сигналов мультиплексоров DMX в сигналы оптической системы с разделением по длине волны WDM, т. е. на отдельные λ, где за каждым TPD закрепляется одна длина волны λi из набора волн, как правило, стандартизированных ITU-T.

Рис. 1.4. Структура многоканальной оптической системы передачи WDM

Помимо стандартизации частот оптических каналов, в системах передачи стандартизированы и точки взаимодействия между отдельными компонентами систем (на рис. 1.1 и 1.4 обозначены светлыми и темными точками) – интерфейсы, которые подразделяются на оптические и электрические. В этих точках

16

нормируются физические и логические (протокольные) характеристики взаимодействия, например, тип волоконного световода, величина затухания и дис-

персии, протокол передачи (OTH, SDH, Ethernet, TP-MPLS) и т. д.

В современных оптических системах передачи реализуются различные технологии мультиплексирования, которые можно определить как цифровые и аналоговые. К аналоговым относятся технологии мультиплексирования оптических волн WDM и аналоговых каналов с частотным разделением (ЧРК), примерами которых можно считать телевизионные каналы, распределенные в спектре частот от 40 МГц до 860 МГц для сетей кабельного телевидения. В семействе цифровых технологий мультиплексирования существуют подразделения по циклической и пакетным передачам. Цифровые сигналы с циклической передачей имеют различные иерархии (рис. 1.5):

– плезиохронная цифровая иерархия ПЦИ-PDH (Plesiochronous Digital Hierarchy);

Рис. 1.5. Технологии мультиплексирования и скорости передачи

воптических системах

–синхронная цифровая иерархия СЦИ-SDH (Synchronous Digital Hierarchy);

–оптическая транспортная иерархия ОТИ-ОТН (Optical Transport Hierarchy), предназначенная для построения оптических транспортных сетей ОТС-OTN (Optical Transport Network). Иерархичность связана со скоростными режимами, длительностями циклов и их структурами. Ключевым понятием в этих иерархиях является вид мультиплексирования: плезиохронный, синхронный, оптический, где последний указывает на сочетание электрического и оптического мультиплексирования.

Цифровые сигналы с пакетной передачей формируются изначально в виде пакетов с фиксированной емкостью асинхронного режима передачи ATM (Asynchronous Transfer Mode) в 53 байта или с изменяемой (переменной) емко-

17

стью Ethernet от 64 до 1500 байт. Формирование пакетов, как правило, увязано с необходимостью переноса информационного трафика, т. е. когда есть трафик тогда и формируются пакеты. Учитывая, что трафик случаен, то и появление пакетов для передачи также случайно. По этой причине используется статистическое мультиплексирование с выстраиванием очереди на передачу с вполне определенной скоростью, например для Ethernet, 10 Мбит/с, 100 Мбит/с, 1000 Мбит/с и т. д.

Для эффективного использования каналов и трактов оптических систем передачи предусмотрены алгоритмы совмещения различных технологий мультиплексирования, например, циклы PDH могут размещаться в структурах SDH и Ethernet, а пакеты Ethernet на скоростях до 100 Гбит/с могут размещаться в циклах OTH и т. д.

В одноканальных ВОСП и многоканальных ВОСП-WDM возможно использование некогерентного и когерентного принципов передачи. Как правило, некогерентная передача сигналов используется в оптических каналах на скорости до 10 Гбит/с с прямой или внешней модуляцией оптического излучения одномодового лазера и прямым детектированием линейного оптического сигнала на приеме относительно простым фотоприемным устройством c трансимпедансным усилителем (ТИУ) (рис. 1.6). При этом для увеличения дальности передачи оптических сигналов в волоконной линии используются оптические усилители, например, волоконные эрбиевые EDFA (Erbium-Doped Fiber Amplifier).

Рис. 1.6. Структурная схема ВОСП некогерентного типа

В структуре ВОСП когерентного типа (рис. 1.7) принципиальные отличия заключены в структуре передатчика и приемника при сохранении аналогичных функций линейного тракта с оптическим усилением. В передатчике вместо модуляции интенсивности оптического излучения лазера применена модуляция фазы излучаемых оптических импульсов специально закодированным цифровым сигналом, который позволяет при определенных видах кодирования ограничить полосу частот оптического модулированного сигнала, что позволяет наращивать скорость передачи информационных сигналов на оптической волне λ,

18

не заботясь об изменении интервала между соседними λ и компенсации дисперсионных искажений. Кроме того, выбор кодирования может понизить или вообще исключить из спектра модулированного сигнала оптическую несущую, что снизит общую интенсивность всех λ в стекловолокне и тем самым уменьшит или исключит из спектра продукты нелинейных эффектов (четырехволнового смешивания, фазовой самомодуляции, рамановского и брюэлленовского рассеяния) стекловолокна. Продукты нелинейности вместе с шумами спонтанной эмиссии EDFA накапливаются в протяженных линиях и увеличивают вероятность ошибок при декодировании цифрового сигнала. Уменьшение продуктов нелинейности и ограничение полосы частот модулированного сигнала позволяют строить более протяженные оптические линии без промежуточных станций. Однако наибольший эффект для увеличения протяженности оптической передачи дает когерентный прием. Для его реализации на приемной стороне системы передачи используется дополнительный оптический генератор – гетеродин, что позволяет существенно повысить чувствительность приемника и тем самым увеличить энергетический потенциал системы в целом.

Рис. 1.7. Структурная схема ВОСП когерентного типа

При этом под энергетическим потенциалом понимают разность между максимальным уровнем мощности вводимого в волокно оптического модулированного излучения и минимальным уровнем мощности этого излучения на входе фотодетектора, при котором сохраняется заданная вероятность ошибки декодируемого цифрового сигнала. Вероятность ошибки зависит от соотношения сигнал/шум. Чем больше секций передачи с усилителями, тем меньше это соотношение.

В чем состоят преимущества когерентных систем? Как усложнение оборудования передатчиков и приемников сказывается на качестве передачи информационных сообщений? Какие применяются критерии оценки когерентных и некогерентных систем для сравнительного анализа? На эти и ряд других важных вопросов содержатся ответы в последующих разделах.

19

1.2. Преимущества когерентных ВОСП

Принципы построения когерентных ВОСП начали разрабатываться достаточно давно, т. е. с появлением когерентных источников излучения – лазеров (начало 60-хгг. XX в.). Однако практическая реализация когерентных систем на коммерческих сетях связи началась только во втором десятилетии XXI в., что обусловлено рядом факторов: сложность схем передатчиков и приемников потребовали создания специальных технологий планарной оптики PLC (Planar Lightwave Circuit) для оптических фильтров, компенсаторов дисперсии, модуляторов, смесителей, циркуляторов, коммутаторов и т. д.; необходимость применения быстродействующих электронных процессоров и узкополосных перестраиваемых высокостабильных лазеров (стабильная частота, полоса спектра, мощность и поляризация); высокочувствительных малошумных и широкополосных фотодетекторов; высокая стоимость компонентной базы и т. д. Только тогда, когда преимущества когерентной передачи стали преобладать перед проблемами некогерентной передачи по совокупным затратам и появились эффективные технологии для реализации началось массовое применение когерентных систем в оптических транспортных сетях. В чем состоят эти преимущества? Преимущества в теории когерентной оптической передачи достаточно наглядно представлены в [1].

Комбинированное (суммарное) оптическое поле сигнала и оптического гетеродина F(t) на единицу поверхности фотодетектора, называемое интенсивностью I(t), имеет вид

I(t) = |F(t)|2 =| ac(t)|2 + |a0|2 + 2|ac(t)||a0|cos[(ω0 – ωc)t + φ0 – φc(t)], (1.1)

где ac(t) – амплитуда поля сигнальной составляющей, a0 – амплитуда поля гетеродина, ω0 – частота гетеродина, ωc – частота сигнала, φ0 – фаза гетеродина, φc(t) – фаза сигнала. В случае разности |ω0 – ωc| > 0 образуется промежуточная частота, например, из радиочастотного спектра. Такой прием оптического сигнала получил название «гетеродинный». В случае разности |ω0 – ωc| = 0 остается амплитудная составляющая, которая соответствует информационному сигналу, усиленному на величину амплитудной составляющей гетеродина. Такой прием оптического сигнала получил название «гомодинный». При этом информационное сообщение может быть закодировано в амплитудной составляющей и/или фазовой составляющей оптического излучения.

Опуская постоянный множитель, пропорциональный площади фотодетектора, учитывая соотношение между выходным током фотодетектора iф(t) и мощностью оптического сигнала P(t) (параметр чувствительности S[А/Вт])

выходной ток фотодетектора с учетом коэффициента умножения G (для лавинного фотодиода) можно представить в виде

iф(t) = G × S{Pc + P0 + 2(Pc × P0)0,5cos[(ω0 – ωc)t + φ0 – φc(t)]}. (1.3)

20