Fokin_Kogerentnye_opticheskie_seti_

потери мощности на разъемном стыке передатчика с соединительным волокном Аст. пер;

потери мощности в соединительном волокне Асв1;

потери мощности на разъемном стыке соединительного волокна с оптическим мультиплексором Аст.ом1;

потери мощности в оптическом мультиплексоре с учетом поляризационнозависимых потерь Аом;

потери мощности на разъемном стыке мультиплексора с соединительным волокном Аст. ом2;

потери мощности в соединительном волокне Асв2;

потери мощности на разъемном стыке по входу с оптическим усилителем мощности многоканального сигнала, состоящем из волн λ1…..λn Аст.оу;

усиление оптического усилителя GTE;

потери мощности на разъемном стыке выхода оптического усилителя с соединительным волокном к линейному кроссу Аст. лк;

потери мощности в соединительном волокне к линейному кроссу Асв3;

потери на стыке станционного и линейного волокон Аст. лин.

Рис. 12.1. Оптическая цепь учета уровня мощности спектрального канала в терминальном мультиплексоре

Уровень оптической мощности одного оптического канала из n-каналов на входе в линейное волокно рассчитывается:

=+0,65 дБм

341

Исходное соотношение OSNR на стороне передачи терминального мультиплексора с учетом шумов, вносимых оптическим усилителем, составит величину, уменьшение которой возможно до 12,5–14,5 дБ в канале с полосой до 50 ГГц на скорости 112 Гбит/с с форматом DP-QPSK при штрафе 0 дБ по OSNR за формат модуляции.

Расчет исходного отношения OSNR производится по следующему соотношению:

где: OSNRout – отношение оптический сигнал/шум на выходе оптического усилителя передачи или оптического сетевого элемента ONE; OSNRin – отношение оптический сигнал/шум на входе ONE или оптического усилителя OA; Pin – уровень мощности сигнала оптического канала на входе ONE; NF – коэффициент шума ONE; h – постоянная Планка, согласованная с уровнем мощности (мДж×с); f – центральная частота оптического канала (Гц); Δf – полоса частот оптического канала (Гц).

При каскадировании некоторого N-го числа ONE (пример на рис. 12.2) результирующее значение OSNRout можно рассчитать:

где: Pin1, Pin2,…, PinN – уровни мощности оптического канала на входах различных оптических сетевых элементов (зависят от длин оптических волокон между передатчиком и входом приема и от других пассивных компонент), через которые проходит оптический канал; NF1, NF2,…, NFN – коэффициенты шума оптических сетевых элементов, через которые проходит оптический канал.

Для приведенного примера терминального сетевого элемента величина OSNRout будет в основном зависеть от шума выходного OA, а значение OSNRin будет достаточно высоким (в технических документах более 40–50 дБ для когерентных систем) и определяться шумами источника непрерывного излучения CW лазером, чаще всего подавлением боковых мод лазера и тепловыми шумами сигнала электрических цепей модулятора и источника. Полоса частот для оценки шумов спонтанной эмиссии может составлять от 12,5 ГГц до 50 ГГц. Полоса частот передачи для сигналов DP-QPSK на скорости 112 Гбит/с (OTU4) составляет как минимум 27,75 ГГц по уровню −3 дБ при интервале между не-

50 ГГц до допустимой 27,75 ГГц может быть обусловлено включением промежуточных ROADM/PXC. Сужение полосы частот снижает OSNR на нормируемую величину штрафа за ухудшение сигнала при ограничении полосы относительно исходной (см. рис. 8.20, 8.21).

В качестве исходной полосы для оценочного расчета принимается 50 ГГц. Частота оптической несущей выбирается наивысшей из сетки частот диапазона C,

342

т. е. 195,9 ТГц по рек. G.694.1. Постоянная Планка 6,626 × 10-31 мДж×с. Подстановка данных в (12.1) дает следующий результат расчета для выхода оптического усилителя на передаче :

37, 5 дБ

При этом расчетная величина шума LPASE TE для оптического канала с полосой 50 ГГц составила −52,1 дБ. Шумовые составляющие других источников (нелинейности волокон, некогерентности детектирования и т. д.) оцениваются по совокупности в виде штрафа за ухудшение OSNR в известных пределах от 1 дБ до 6 дБ в ряде стандартных интерфейсов в виде максимального штрафа оптического тракта (рек. ITU-T G 698.1, G 698.2, G 959.1). Другие, более точные по видам происхождения шумов, оценки в настоящее время неизвестны.

Рис. 12.2. Оптическая линейная цепь для оценки OSNR в оптическом спектральном канале

Расчет диаграммы уровней промежуточной станции с доступом к каналам (ROADM) включает в себя следующие составляющие (для схемы на рис. 12.3):

343

PПР(Pin ) PПЕР (POUT ) AОВ AСТ.ЛИН АСВ АСТ.УС 0,65дБм 33дБ 0,1дБ 0,15дБ 0,1дБ

34 дБ

Усиление оптического усилителя OA1 на входе ROADM должно полностью компенсировать потери оптической мощности на предшествующем участке и составлять величину GTE = 34 дБ. Таким образом, уровень мощности оптического сигнала одного спектрального канала составит +0,65 дБм на входе пассивной части ROADM, в которой потери могут иметь диапазон от 6 до 22 дБ (по известным характеристикам ROADM различных производителей). В эти потери могут входить фиксированные значения от мультиплексора и демультиплексора, коммутатора и также потери от управляемого аттенюатора, который необходим для выравнивания уровня мощности в каждом канале для равных условий каналов по OSNR.

В предлагаемом примере расчетов выбрана величина 15 дБ. Тогда уровень мощности оптического сигнала на входе оптического усилителя OA2 составит −14,35 дБм, что необходимо для определения OSNR на выходе ROADM. Коэффициент шума оптических усилителей принимается NF1 = NF2 = 6 дБ.

Рис. 12.3. Оптическая цепь учета уровня мощности спектрального канала в промежуточном мультиплексоре ROADM

Расчет OSNR на выходе ROADM производится по формуле:

Основной вклад в резкое снижение OSNR после ROADM вносит протяженная линия (33 дБ), из-за которой OSNR падает с 33,7 дБ до 12 дБ только на одном участке протяженностью до 150 км при минимальном среднем значении удельных потерь мощности 0,2 дБ/км.

ВЫВОД: при проектировании оптических систем передачи с когерентными высокоскоростными каналами необходимо избегать протяженных участков с предельными потерями уровня мощности оптических сигналов и выбирать оптические усилители с наименьшими значениями коэффициента шума NF. Ряд дополнительных предложений по использованию в конкретных приложениях различных оптических усилителей приводится в [2], в частности нужно обратить внимание на использование усилителей Рамана.

Для оценки OSNR для оптических каналов протяженных линейных трактов с оптическими усилителями, в которых величина усиления равна величине потерь оптической мощности, используются упрощенное соотношение:

где Pout – выходной уровень мощности ОА для одного канала (дБм), L – потери на пролете (дБ), которые равны GTE – усилению оптического усилителя (дБ), NF – коэффициент шума оптического усилителя (дБ), h – постоянная Планка (в мДж×с, согласованная с Pout в дБм, т. е. произведение постоянной Планка и частот f и Δf, относительно 1 мВт), f – оптическая частота (Гц), ∆f – ширина полосы пропускания в оптическом канале в Гц, N – общее число линейных усилителей. В структуру линейного оптического усилителя могут входить различные компоненты для поддержки необходимого уровня мощности и дисперсионных искажений (рис. 12.4). Учитывая возможности по адаптивной компенсации дисперсионных искажений в транспондерах оптических каналов (до 70000 пс/нм), совмещение компенсаторов дисперсии с линейными усилителями не является обязательным и по этой причине не вносит дополнительных ухудшений по OSNR из-за снижения мощности и нелинейных эффектов в компенсирующих волокнах.

Рис. 12.4. Линейный оптический усилитель и компоненты для расчета

345

Пример расчета OSNR для участка передачи 2000 км с погонными потерями оптической мощности в среднем с учетом потерь на стыках строительных длин и в разъемных стыках составляющих 0,23 дБ/км, одинаковым усилением линейных усилителей 23 дБ. Для поддержания одинакового уровня мощности всех спектральных каналов (40) в диапазоне C на всем протяжении принято считать, что усиление полностью компенсирует потери и усилители выравнивают уровни мощности всех спектральных каналов внутренними эквалайзерами.

Допустимый уровень мощности для одного канала 40 канальной системы с учетом нелинейного предела мощности в волокне G.652 в 50 мВт (+17 дБм) составит :

POCh Pmax 10lg NOCh 17,0дБм-10lg40 1,0дБм .

Оптические усилители будут размещаться равномерно по длине линии через 100 км общим числом 20 с минимальным коэффициентом шума 4 дБ. Результирующее значение OSNR для спектрального канала на скорости 112 Гбит/с по (12.3) получится:

OSNR 1дБм 23 4 10 lg 20 51,2 дБ 12,2 дБ , что близко к

нормативному значению с учетом возможностей FEC.

Однако OSNR может оказаться меньше указанного по причинам накопления нелинейных помех, примеры учета которых представлены в [2, разд. 8. Расчет оптических шумов], накопления дисперсии и ее возможной неполной компенсации, для которой также определены параметры ухудшения OSNR (см. рис. 4.47, 4.48), которые могут составить величины до 6 дБ.

12.2. Учет накопления дисперсионных искажений

Учет накопления поляризационной модовой дисперсии (ПМД) является необходимым, т. к. предусмотрены предельные значения на ПМД в стандартных транспондерах до 30–70 пс со штрафом по OSNR до 1 дБ [98]. Соотношение для учета накопления представлено ниже:

DПМД [( ПМД L)2 D2ROADM DOA2 ]1/2 ,

где σПМД – удельное значение ПМД (0,05–0,5 пс/км0,5), L – длины секций опти-

ческого волокна, DROADM – ПМД от ROADM, DOA – ПМД от оптических усилителей.

Для выше приведенного примера расчета OSNR на линии 2000 км значение ПМД составит

DПМД [(0,052000)2 0 0,152]1/2 2,23пс,

что вполне укладывается в примеры нормативов для когерентных каналов. Исследования компании Alcatel-Lucent на предмет воздействия поляриза-

ционой модовой дисперсии на оптические сигналы форматов DPSK, DQPSK (рис. 12.5) показали, что только волоконные световоды стандарта G.652 и G.655 нового поколения с удельным коэффициентом ПМД около 0,05 пс/км0,5 позво-

346

ляют реализовать оптическую передачу 100 Гбит/с потоков на расстояния свыше 500 км. Это также необходимо учитывать при выполнении реконструкции

существующих ВОСП со старыми типами волокон, где удельное значение ПМД около 0,5 пс/км0,5.

Рис. 12.5. Ограничения на ПМД по исследованиям от Alcatel-Lucent

12.3. Применения когерентных систем в оптических сетях

Широкое внедрение когерентных систем, т. е. настоящий «прорыв» к новым качествам транспортных сетей, началось в 2012 г. рядом российских операторов («Билайн», «МТС», «Ростелеком» и др.) в связи с необходимостью обеспечения широкополосных интегрированных услуг в сетях общего пользования с проводным и беспроводным доступом на скоростях до 100 Мбит/с на терминал.

Учитывая высокие скорости передачи и пакетное представление трафика потребовалась замена коммутационного оборудования и резкое увеличение пропускной способности соединительных линий между коммутаторами (доступа, агрегации, магистралями) для поддержки заданных требований по качеству услуг, прежде всего мультимедийных.

Новостные сообщения на ведущих информационных сайтах стали напоминать сводки «боевых действий» в зонах локальных конфликтов.

Ниже приводятся ряд сообщений о срочных намерениях и применении когерентных оптических систем передачи зарубежных и отечественных производителей.

347

Сообщение от компании Ciena от 3 сентября 2012 г., поступившее в средства массовой информации, указывает на соглашение между российской компанией ОАО «Вымпелком» (торговая марка «Билайн») американской компанией Ciena, которая признана в мире телекоммуникаций экспертом сетевых технологий, на предмет долговременного сотрудничества по обновлению инфраструктуры оптических транспортных сетей на магистралях протяженностью свыше 10700 км. Основным оборудованием для модернизации предусмотрена транспортная платформа Ciena 6500, ядром которой служат когерентные оптические процессоры Wave Logic 3.

В соглашении предусмотрено модернизировать участки магистральных сетей по направлениям: Москва–Урал (Екатеринбург, Челябинск); Урал–Сибирь (Новосибирск); участок «Большого Европейского оптического кольца» (Ростовская область и Краснодарский край); строительство в Сибири (Новоси- бирск–Хабаровск) оптических сетей с поддержкой скорости передачи на канал 100 Гбит/с на дистанциях свыше 3000 км.

На существующих в России оптических сетях Билайн компания Ciena уже развернула оптические интерфейсы когерентного типа на скорости 40 Гбит/с при сохранении непрерывности передачи в ранее развернутых оптических каналах на скорости 10 Гбит/с. Это касается магистралей Москва–Урал и Урал–Сибирь.

Компания Ciena также заявила о испытании в 2012 г. процессора Wave Logic 3 с новым програмным обеспечением, гибко поддерживающим реконфигурацию когерентного интерфейса от скорости 100 Гбит/с до скорости 400 Гбит/с на оптический канал.

На существующих кабельных линиях постройки второй половины 90-х гг. XX в. стали достижимы скорости передачи 8,8 Тбит/с в паре волокон при использовании также существующих оптических усилителях на протяженных участках (как правило более 80 км). Достижение терабитных скоростей позволяет операторам гарантировать спектр широкополосных мультимедийных услуг по технологии доступа LTE на всех участках сети мобильной связи.

В сообщении от компании Alcatel-Lucent, принявшей участие в ежегодной выставке «Связь-Экспоком–2012», от месяца мая 2012 г. указывается на эволюционное изменение элементов сетевой архитектуры HLN (High Leverage Network – сеть высокой степени гибкости) с целью повышения пропускной способности и прозводительности и одновременным сокращением расходов на обслуживание и эксплуатацию. На выставочном стенде компания демонстрировала новое семейство оборудования DWDM – платформа Alcatel-Lucent 1830 PSS (Photonic Service Switch – фотонная коммутация услуг), которая является основным элементом архитектуры HLN. В ее составе предусмотрена кросскоммутационная среда с фотонными и электронными матрицами коммутации каналов на скорости до 100 Гбит/с и выше. Такие платформы уже используются по всему миру более чем в 120 транспортных сетях. Для платформы 1830 PSS компанией поставлены для нескольких десятков операторов свыше полутора тысяч оптических транспондеров/мукспондеров когерентного типа на скорости 100Гбит/с. В России наибольшее число заказов на платфрму 1830PSS и интерфейсные мо-

348

дули 100 Гбит/с поступило от компании «Ростелеком». Планируемые скорости передачи информационных потоков на пару волокон могут достигать 8,8 Тбит/с в магистралях с протяженностью от 2 до 4 тыс. км.

Первые сведения о разработке и испытании оборудования оптических каналов когерентного типа на скорости 400 Гбит/с появились в марте 2012 г. в сообщениях Bell Labs, который представляет научно-исследовательский центр компании Alcatel-Lucent, и Telekom Innovation Laboratories (или T-Labs, Deutsch Telecom). Разработки завершены полевыми испытаниями технологии 400G на участке Берлин–Ганновер–Берлин (около 740 км). В канальной полосе 100 ГГц был передан цифровой поток 512 Гбит/с с полезной нагрузкой 400 Гбит/с. Передача организована на двух оптических поднесущих (нагрузка по 200 Гбит/с на каждую) с модуляцией DP-16QAM по каждой поляризации обеих поднесущих и использованием корректора FEC в цифровом сигнальном процессоре на приемной стороне системы. Оптический канал с полезной нагрузкой 400 Гбит/с был организован по одному волокну совместно с существующими на сети DWDM каналами на скорости 10 Гбит/с. Решения на скорости 400G и 100G, основанные на применении фотонных процессоров ASIC 400G PSE, вошли в состав промышленно выпускаемой транспортной платформы 1830 PSS, в частности разновидность этой платформы с обозначением 1832PSS с двумя типами интерфейсов на 200 Гбит/с и 400 Гбит/с.

Всообщении компании «МТС» от 27 апреля 2013 г. отмечено, что компания «МТС» установила в транспортные сети оптические интерфейсы когерентного типа 100 Гбит/с в платформы Alcatel-Lucent 1830 PSS. Эти интерфейсы совместимы с интерфейсами на скорости 10 Гбит/с и 40 Гбит/с с прямым детектированием в одной паре волокон. Таким образом показана возможность быстрой замены неудовлетворяющих по скорости решений на новые с десятикратным или двух с половиной кратным увеличением скорости.

Российский оператор транспортных сетей северо-западного региона компания «Раском» сообщила в апреле 2013 г. о заключении контракта по организации сети DWDM с каналами 100 Гбит/с для протяженной оптической сети на участке Москва–Хельсинки (1213 км) с целью соединить датацентры «Яндекс». Сроки строительства и сдачи объекта назначены соответственно на август 2013

ина апрель 2014 г.

Вмае 2013 г. компания «Т8» (г. Москва) продемонстрировала на выставке «Связь-Экспоком-2013» отечественную систему «Волга» с когерентными каналами 100 Гбит/с, особенностью которой стало внедрение сверхпротяженных участков передачи (до 500 км) без промежуточных усилителей и регенераторов, что особенно актуально при развертывании оптических сетей в малонаселенных районах Севера и Сибири, в частности при строительстве магистрали «Северный поток» компанией «Ростелеком». Платформа типа «Волга» позволяет поддерживать до 80 спектральных каналов DWDM формата DP-QPSK с когерентным приемом на участках до 4 тыс. км без оптоэлектронных преобразований и компенсаторов дисперсионных искажений.

349

Крупнейший российский оператор беспроводных и проводных сетей связи компания ТТК («Транстелеком») сообщила о вводе в 2013 г. в коммерческую эксплуатацию транспортной оптической сети DWDM (свыше 3000 км) нового поколения с когерентными интерфейсами Cisco Systems технологии ULH (Ultra Long Haul – ультрапротяженного типа) на участках между Санкт-Перербургом и Москвой, между Москвой, Челябинском и Екатеринбургом. При этом устаревшие интерфейсы на скорости 40 Гбит/с были заменены на интерфейсы 100 Гбит/с. На участке между Москвой и Екатеринбургом в 2600 км реализована передача без регенерации цифровых сигналов. Этот участок отмечен в сообщении как самый длинный реализованный первым в мире.

В новостном блоке журнала «Открытые системы» № 9 2014 г. сообщается о успешном испытании компанией NTT (Япония) оптических когерентных интерфейсов на скорость передачи в оптическом канале 400 Гбит/с и возможными дистанциями передачи до 10 тыс. км.

По сообщению компании «МТС» в октябре 2014 г. введена в коммерческую эксплуатацию волоконно-оптическая линия на участке Новосибирск– Омск с использованием спектральных каналов на скорости 400 Гбит/с на основе оборудования Huawei OptiX OSN 9800 U16 когерентного типа.

350