Методы уплотнения волоконно-оптических линий связи

В настоящее время благодаря бурному развитию различных сетевых технологий в телекоммуникационной индустрии происходит переход от телефонных систем к системам передачи данных. Поэтому одним из основных требований, предъявляемых к транспортным сетям передачи данных, является возможность быстрого увеличения их пропускной способности в соответствии с ростом объемов трафика.

В транспортных сетях обычно выделяют три уровня: магистральный, распределения и доступа. Магистральный уровень характеризуется большой пропускной способностью и используется для передачи трафика в пределах региона или города. Для уровня распределения характерна меньшая пропускная способность, меньшие расстояния и более сложная сетевая топология. Уровень доступа используется для подключения корпоративных сетей и характеризуется небольшой пропускной способностью.

К транспортным сетям нового поколения предъявляются различные требования. На уровне доступа главное - гибкость и экономичность. На уровне распределения важна возможность объединения различных видов трафика и его диспетчеризации. На магистральном уровне решающей становится возможность быстрого увеличения пропускной способности сетей в соответствии с ростом трафика. Этого можно достичь, используя различные технологические решения:

- прокладка новых оптических кабелей. Этот процесс в настоящее время ведется достаточно интенсивно, однако он сопряжен с необходимостью долгосрочного планирования, больших капиталовложений и не всегда возможен;

- использование элементной базы с большим быстродействием (10 Гбит/с, …, 100 Гбит/с). В этом случае, выбирая аппаратуру, придется исходить не из её цены и качества, а стремиться использовать самые последние технологические достижения;

- переход от электронных компонент к оптическим компонентам (усилителям, фильтрам и т.д.). В отличие от электронных компонент, параметры большинства оптических компонент не зависят от скорости передачи данных, и для них прирост цены с увеличением скорости передачи будет небольшим. Однако возможность реализации данного подхода зависит от наличия необходимого набора оптических компонент и их совместимости.

- применение технологии уплотнения каналов. В основе методов уплотнения волоконно-оптических линий связи лежит процесс мультиплексирования, т. е. одновременной передачи нескольких потоков светового излучения по одному волокну (одной паре волокон).

По способу мультиплексирования ВОСП подразделяются на:

ВОСП с частотным или гетеродинным уплотнением;

ВОСП с временным уплотнением;

ВОСП со спектральным уплотнением.

В ВОСП с частотным мультиплексированием для получения близко расположенных спектральных каналов чаще всего используется один высоко стабильный источник оптического сигнала. Несколько спектрально разнесенных несущих от этого источника получают, используя соответствующие устройства сдвига оптической несущей. Уплотнение, использующее такой принцип формирования оптических несущих, называется частотным или гетеродинным уплотнением.

Основным достоинством данного метода является высокий коэффициент использования пропускной способности ОВ.

К недостаткам данного метода можно отнести то, что требуется оптический тракт приема и передачи с сохранением поляризации, а также целый ряд дополнительных устройств (сдвигателей частоты, оптических вентилей, контроллеров поляризации, оптических усилителей, систем автоподстройки частоты и т.п.), что значительно усложняет ВОСП и увеличивает ее стоимость.

Технология временного уплотнения (мультиплексирования) предусматривает объединение нескольких входных низкоскоростных информационных или компонентных потоков в один составной высокоскоростной. Входные потоки по очереди модулируют высокочастотную несущую в течение выделенных им коротких промежутков времени (тайм-слотов), которые периодически повторяются. Мультиплексор на одной стороне канала связи собирает данные со всех источников и передает их по волокну в течение соответствующих тайм-слотов. Демультиплексор на другой стороне линии связи выделяет тайм-слоты, считывает данные и передает их соответствующим пользователям уже в виде выходных потоков.

Объединение может быть осуществлено на уровне электрических сигналов или на уровне оптических сигналов. Временное мультплексирование на уровне электрических сигналов приведено на рис.7.9., где использованы следующие обозначения: 1…N – источники компонентных информационных потоков, представляющих многоканальные электрические сигналы; MUX – временной мультиплексор, который, создавая групповой электрический сигнал, последовательно подключает компонентные многоканальные электрические сигналы к общему оптическому передатчику (ОПер) на определенный временной интервал; ОВ – оптическое волокно; ОПр – оптический приемник, преобразующий оптический сигнал в групповой электрический, содержащий N компонентных многоканальных электрических сигналов;

DMUX – временной демультплексор, распределяет принятые компонентные многоканльные электрические сигналы по соответствующим приемникам 1…N.

Мультиплексор и демультиплексор должны работать синхронно. Отметим, что компонентные информационные потоки могут быть сформированы как на основе систем передачи с частотным разделением каналов, так и на основе цифровых систем передачи.

Схема с временным мультиплексированием (уплотнением) на уровне оптических сигналов приведена на рис.7.10., где использованы следующие обозначения: ОПер_1…N – оптические передатчики 1…N компонентных информационн потоков (многоканальных электрических сигналов аналоговых или цифровых, преобразованных в оптические сигналы); ОMUX – оптический мультиплесор, осуществляющий задержку оптического сигнала от каждого ОПер на величину Dt, 2t...NDt (здесь N – число компонентных информационных потоков или многоканальных оптических сигналов), объединяющий N многоканальных оптических сигналов в групповой оптический поток и направляющий его в оптическое волокно (ОВ); ODMUX - оптический демультплексор, осуществляющий на приеме обратные преобразования.

При временном мультиплексировании, как на уровне электрических сигналов, так и на уровне оптических, требуется передача коротких (наносекундных) световых импульсов. Однако передача субнаносекундных импульсов предъявляет чрезвычайно высокие, близкие к предельным, требования к быстродействию оптоэлектронных компонентов оптических передатчиков и приемников ВОСП. Кроме того, скорость передачи или широкополосность оптических трактов ограничивается дисперсионными свойствами ОВ.

Использование технологии TDM позволило увеличить пропускную способность волоконно-оптических линий связи до 10 Гбит/с. Линии со скоростью 10 Гбит/с будут постепенно заменять первоначально использовавшиеся системы TDM со скоростью 2,5 Гбит/с. Скорость передачи 10 Гбит/с в некотором роде разграничивает два типа систем TDM. Выше этой скорости некоторые основные характеристики оптического волокна (поляризационная модовая дисперсия, хроматическая дисперсия) начинают значительно влиять на качество передачи и должны приниматься во внимание при разработке систем связи. Это является серьезным препятствием для ведущихся в настоящее время разработок систем TDM со скоростями передачи 40 Гбит/с и выше. Кроме того, для дальнейшего увеличения скорости требуются новые методы модуляции лазерного излучения, что ведет к росту сложности и стоимости приемо-передающего оборудования.

Дальнейшее увеличение скорости передачи с помощью технологии TDM требует разработки и внедрения исключительно сложных и дорогостоящих электронных компонентов, кроме того, повышаются требования к. точности синхронизации при мультиплексировании и демультиплексировании на сверхвысоких частотах.

Одной из перспективных технологий сверхдальней связи считается солитонная передача данных. Солитон – это особый вид светового импульса, который при распространении в определенной среде, и в частности – оптическом волокне, сохраняет свою форму (преимущественно гауссову). При усилении солитона через равные расстояния, теоретически он может распространяться сколь угодно далеко. Это связано с тем, что показатель преломления среды, в которой распространяется солитон, изменяется в зависимости от мощности сигнала. При малых мощностях сигнала это изменение незначительно и им можно пренебречь. При большой мощности сигнала солитон обладает исключительной стабильностью параметров распространения и устойчивостью к внешним возмущениям. Несмотря на то, что дальность распространения солитонов ограничена затуханием сигнала в волокне, эта технология может успешно применяться для передачи сигналов большой мощности на большие расстояния. При солитонной передаче сигналов используют кодирование с возвратом к нулю.

Технологией, позволяющей многократно (более чем в 100 раз) повысить емкость ВОЛС при использовании существующего активного оборудования, является технология спектрального разделения каналов передачи. Эта технология в зарубежной литературе получила название «wavelength division multiplexing» (WDM). В отечественной литературе более 20 лет применяется термин «спектральное уплотнение» (СУ). Используются также термины «оптическое мультиплексирование с разделением по длинам волн», «волновое или спектральное мультиплексирование». В руководящем документе отрасли связи (РД 45.286-2002) используется термин «волоконно-оптические системы передачи со спектральным разделением» (ВОСП-СР).

Сущность метода WDM заключается в одновременной передаче по одному ОВ нескольких независимых спектрально разнесенных оптических несущих, каждая из которых модулируется многоканальным сигналом, сформированным соответствующим каналообразующим оборудованием. Каждая компонента с определенной длиной волны представляет собой отдельный оптический канал передачи информации со своим передатчиком и приемником. Добавление нового канала в линию связи сводится к введению новой компоненты светового пучка на не занятой длине волны и никак не затрагивает работу уже существующих каналов передачи сигналов. Для передачи информации по разным каналам могу использоваться аналоговые и цифровые сигналы, различные протоколы и скорости передачи. Такая возможность объединения, передачи по волокну и последующего разделения каналов с разными длинами волн несущей основана на принципе суперпозиции (независимости) волн в линейной оптике. Нелинейное взаимодействие волн может привести к появлению нежелательных перекрестных помех, и поэтому требуется принимать меры по ослаблению нелинейных эффектов в WDM-системах связи.

Структурная схема ВОСП со спектральным разделением оптических каналов показана на рис.7.11., где к уже принятым обозначениям добавляются новые: ОФМС - оборудование формирования многоканального сигнала, представляющего совокупность каналообразующего оборудования (КОО) и оборудования сопряжения (ОС), предназначенного для формирования электрического сигнала, параметры которого согласованы с оптическим передатчиком (ОПер) и оптическим приемником (ОПр); УСО (или MUX – мультиплексор WDM) – устройство спектрального объединения, осуществляющее ввод различных оптических несущих в одно волокно (ОВ); УСР (или DMUX – демультиплексор WDM) – устройство спектрального разделения, где оптические несущие разделяются и поступают на оптические приемники.

На передающей станции имеется n систем передачи (однотипных или разнотипных), сигналы которых подаются на n оптических передатчиков, излучающих различные оптические несущие l₁, l₂, …l_n-1, l_n. С помощью УСО осуществляется ввод различных оптических сигналов в ОВ.

На приемной стороне в УРС оптические несущие разделяются и подаются на оптические приемники и далее на ОФМС. Таким образом, по одному ОВ организуется n спектрально разделенных оптических каналов, т.е. пропускная способность ОВ увеличивается в n раз по сравнению с традиционным построением оптических систем передачи. Кроме того, этот метод позволяет обеспечить развитие сетей связи без проведения дополнительных строительных работ, а также создавать разветвленные сети любой структуры с пассивными элементами спектрального уплотнения в местах разделения или выделения световых потоков.

Для объединения и разделения оптических несущих могут использоваться различные оптические спектральные устройства: мультиплексоры, демультиплексоры, работа которых основана на явлениях физической оптики: дисперсия, дифракция и интерференция. В основе структуры мультиплексоров и демультиплексоров может быть оптическая призма, многослойный диэлектрик, дифракционная решетка и др.

Такая система передачи «точка-точка» обеспечивает увеличение пропускной способности линии связи между двумя узлами. Однако возможности и преимущества технологии WDM в еще большей степени раскрываются в сложных насыщенных сетях связи, содержащих много различных узлов.

На промежуточных узлах некоторые каналы могу быть добавлены или выделены из составного сигнала посредством мультиплексоров ввода/вывода, а остальные каналы проходят через узел без преобразования в электрический сигнал. В некоторых узлах устройства оптической кросс-коммутации позволяют перенаправлять каналы по новым направлениям.

Рост пропускной способности при использовании технологии WDM осуществляется без дорогостоящей замены оптического кабеля. Применение технологии WDM позволяет сдавать в аренду не только оптические кабели или волокна, но и отдельные длины волн, то есть реализовать концепцию “виртуального волокна”. По одному волокну на разных длинах волн можно одновременно передавать самые разные приложения – кабельное телевидение, телефонию, трафик Интернет, “видео по требованию” и т.д. Как следствие этого, часть волокон в оптическом кабеле можно использовать для резерва.

Применение технологии WDM позволяет исключить дополнительную прокладку оптических кабелей в существующей сети. Даже если в будущем стоимость волокна уменьшится за счет использования новых технологий, волоконно-оптическая инфраструктура (проложенное волокно и установленное оборудование) всегда будет стоить достаточно дорого. Для ее эффективного использования, необходимо иметь возможность в течение долгого времени увеличивать пропускную способность сети и менять набор предоставляемых услуг без замены оптического кабеля. Технология WDM предоставляет именно такую возможность.

Первые исследования WDM-технологии, проведенные в 1980-х годах, продемонстрировали возможность объединения оптических несущих, разделенных спектральным интервалом 10 –25 нм, для передачи сигналов по многомодовому волокну в локальных сетях, при этом рабочие длины волн лежали в первом (850 нм) и втором (1310 нм) окнах прозрачности. Однако эти работы не привели к разработке промышленных систем, главным образом, по экономическим соображениям.

Первыми WDM-системами, нашедшими практическое применение, стали двухволновые WDM-системы, объединившие две основные несущие длины волн 1310 нм и 1550 нм из 2-го и 3-го окон прозрачности в одном одномодовом волокне. Практический успех двухволновых WDM-систем обусловлен тем, что они позволяют либо удвоить скорость передачи сигналов по одному волокну, либо создать дуплексные системы на одном волокне, не изменяя существующего активного оборудования и используя простые и надежные двухволновые мультиплексоры/демультиплексоры. Простота таких систем, обусловленная очень большим спектральным интервалом (более 200 нм), вместе с тем ограничивает дальнейший рост их пропускной способности. Реально двухволновые WDM-системы позволяют подключить еще только один канал с длиной волны 1650 нм или 1490 нм.

Двухволновые WDM-системы широко используются в сетях доступа, в частности, в пассивных оптических сетях (PON).

В середине 1990-х годов благодаря широкому внедрению оптических усилителей на основе волокон, легированных эрбием (EDFA, Erbium doped fiber amplifier), начинает бурно развиваться технология спектрального мультиплексирования с плотным расположением спектральных каналов, для обозначения которой используется аббревиатура DWDM (Dense WDM). Экономическая эффективность систем DWDM в системах дальней связи резко увеличилась с применением оптических усилителей, так как одно устройство – усилитель – заменило десятки регенераторов, использовавшихся до появления оптических усилителей для восстановления оптических сигналов каждого спектрального канала отдельно. Системы электрической регенерации сигналов, применяемые, например, в сетях SDH, являются весьма дорогими и, кроме того, протокольно зависимыми, так как они могу воспринимать только определенный вид кодирования сигнала.

В силу того, что основной рабочий диапазон усилителей EDFA лежит в пределах длин волн 1525 –1565 нм, появилась необходимость вместить в этот промежуток как можно больше каналов. Наиболее широкое распространение получили системы, в которых предусмотрено расположение каналов с частотным интервалом =100 ГГц, что в области 1550 нм соответствует спектральному интервалу =0,8 нм. Ведутся работы по созданию систем с частотным интервалом 50 ГГц (0,4 нм)и даже 25 и 12,5 ГГц.

Однако системы с интервалом 50 ГГц вряд ли будут востребованы в ближайшее время из-за высокой стоимости, с одной стороны, и из-за повышения скорости передачи информации по каждому каналу, с другой.

Технология DWDM оказалась незаменимой в линиях дальней связи, в которых необходимо передавать огромные потоки информации на большие расстояния, требующие применения оптических усилителей. Кроме того, в последнее время активно развиваются городские сети и сети доступа, в которых также целесообразно применение технологий спектрального мультиплексирования. В некоторых из них не требуются столь высокие суммарные потоки информации, которые обеспечивает технология DWDM. Поэтому вновь возродился интерес к WDM-системам с менее плотным расположением спектральных каналов. Такие системы называются системами с грубым спектральным мультиплексированием, и для них принято международное обозначение СWDM (Coarse WDM). Международным стандартом ITU G.694.2 установлена спектральная сетка для центральных длин волн СWDM-каналов. Соседние каналы разделены спектральным интервалом 20 нм в диапазоне длин волн от 1270 до 1610 нм.

Стандарт определяет и область применения технологии CWDM – городские сети с расстоянием до 50 км.

Основное преимущество технологии СWDM перед технологией DWDM – меньшая стоимость. Оценки, сделанные различными авторами, показывают, что цены на СWDM-системы в 1,5 –2,5 раза ниже цен на аналогичные DWDM-системы. Снижение цены обусловлено меньшей стоимостью компонентов. В частности, используемые в СWDM-системах оптические передатчики не требуют температурной стабилизации (в системах DWDM температурная стабилизация лазеров обязательна),стоимость СWDM-мультиплексоров ниже стоимости DWDM-мультиплексоров. Главный недостаток технологии СWDM заключается в ограниченных возможностях масштабирования т.е. увеличения суммарного по всем каналам потока передаваемой информации по мере роста потребностей заказчика.

Выделяют три основных достоинства технологии WDM:

1. Пропускную способность транспортной сети с WDM можно наращивать увеличивая число каналов (длин волн), применяемых в системах передачи, а не повышая скорости передачи в едином составном канале, как это реализовано в технологии TDM.

2. Транспортные сети, основанные на технологии WDM, обладают большой гибкостью, так как, во-первых, каждый спектральный канал можно использовать независимо для передачи различных видов трафика. Например, на одной длине волны можно передавать Internet, на другой SONET или ATM. Во-вторых, можно не ограничиваться использованием только физической топологии сети, а строить также различного рода виртуальные сети.

3. Сигналы, передаваемые по одному волокну, во всех спектральных каналах можно усиливать с помощью одного оптического усилителя. Этим оптические усилители выгодно отличаются от ретрансляторов, где для каждого спектрального канала необходимо использовать отдельный электрический усилитель.

Оптические усилители появились во втором поколении WDM систем. В них использовались волокна, легированные эрбием (EDFA-Erbium Doped Fiber Amplifier) и обеспечивающие усиление сигналов в диапазоне длин волн 1525…1565 нм. В этих системах для передачи данных использовалось третье окно прозрачности с интервалом частот между каналами 400 ГГц. Дальнейшее развитие технологии уплотнения каналов по длинам волн связано с расширением полосы усиления оптических усилителей и уменьшением интервала частот между спектральными каналами.

В зависимости от интервала частот между спектральными каналами WDM системы делятся на два основных класса: системы плотного спектрального уплотнения (dense-WDM (DWDM)), дальнейшим развитием данной технологии стала технология спектрального уплотнения высокой плотности (HDWDM - High density WDM) и системы грубого спектрального уплотнения (coarse-WDM (CWDM)) или, как их ещё иногда называют, (wide WDM (WWDM)). Несущие частоты для для систем DWDM и CWDM определяются стандартами Международного Союза Электросвязи (МСЭ) (ITU – International Telecommunication Union): рекомендация ITU-T G.694.1, определяет сетку частот для DWDM, а рекомендацию ITU-T G.694.2, определяет распределение длин волн для CWDM.

В ноябре 2003 года МСЭ утвердил новую рекомендацию ITU-T G.695, которая определяет такие характеристики систем CWDM, как допустимое затухание сигнала, допустимые уровни мощности, покрываемое расстояние.

Некоторые особенности рассматриваемых технологий представлены в таблице 7.1.

Таблица 7.1

Примечание: В соответствии с рекомендацией ITU T G.694.2, в таблице использованы следующие обозначения спектральных диапазонов:

O – начальный, первичный (Original, 1260 – 1360 нм);

E – расширенный (Extended,1360 – 1460 нм);

S – коротковолновый (Short wavelength, 1460 – 1530 нм);

C – обычный, стандартный (Conventional, 1530 – 1570 нм);

L – длинноволновый (Long wavelength, 1570 – 1625 нм).

Грубое спектральное уплотнение (Coarse Wavelength Division Multiplexing, CWDM) характеризуется тем, что расстояние между соседними каналами равно 20 нм (в некоторых случаях 25 нм). Это в десятки раз больше, чем расстояние между каналами при плотном спектральном уплотнении (DWDM). В отличие от других форм WDM технология CWDM использует существенно более широкую полосу частот, которая может включать несколько стандартных для оптических систем связи диапазонов частот («окон прозрачности »). В CWDM-системах могут одновременно работать до 18 каналов и использоваться как многомодовые, так и одномодовые волокна.

Сравнение CWDM и DWDM

В WDM оптике основная стоимость приходится на мультиплексоры и демультиплексоры. Причем, чем ближе расположены спектральные каналы в системе, тем труднее избежать появления в ней перекрестных помех. Известно несколько технологических решений, позволяющих создавать мультиплексоры и демультиплексоры, пригодные для применения в DWDM системах, но стоимость их высока. Естественно, что при большом расстоянии между каналами избежать перекрестных помех значительно проще. С помощью недорогой технологии нанесения интерференционных покрытий достаточно просто изготовить фильтр с единичным пропусканием в полосе 13 нм (вносимые потери 1 дБ) и уровнем подавления перекрестных помех в 30 дБ на расстоянии в 20 нм.

В CWDM системах существенно снижаются и требования к рабочей длине волны лазеров и температурной стабилизации лазера. Разброс рабочих длин волн при производстве DFB лазеров составляет ±2 нм, а температурный дрейф 0.09 нм на градус Цельсия. Для CWDM систем это вполне допустимо, учитывая, что ширина полосы фильтра порядка 13 нм. В DWDM системах приходится использовать более дорогую технологию для изготовления лазеров с рабочей длиной волны, заданной с высокой точностью. Кроме того, эти лазеры приходится устанавливать на термоэлектрические холодильники для того, чтобы поддерживать их температуру с точностью порядка 2°С.

Обобщая преимущества технологии грубого спектрального уплотнения по сравнению с DWDM-технологией, можно выделить следующие:

компактные размеры оборудования;

низкая потребляемая электрическая мощность;

возможность использования многомодовых волокон;

уменьшение капитальных затрат при строительстве сети, за счет применения в CWDM-оборудовании недорогих передатчиков, устройств разделения оптических каналов и схем мультиплексирования/демультиплексирования;

снижение эксплуатационных расходов за счет уменьшения затрат на электроэнергию для обеспечения бесперебойного питания и создания требуемых условий окружающей среды;

Главным недостатком технологии CWDM является сравнительно небольшое допустимое расстояние между узлами. Использование оптических усилителей для увеличения дальности передачи проводит к удорожанию сети, тем более что перекрыть одним оптическим усилителем всю полосу CWDM-системы невозможно, а использование усилителей на отдельные диапазоны приведет к еще большим затратам. Относительно малое число каналов не является весомым недостатком, так как емкость возможных 16–18 оптических каналов, как правило, намного превышает современные потребности операторов связи в полосе пропускания, и такая ситуация сохранится в течение ближайших лет.

В настоящее время технология грубого спектрального уплотнения CWDM получает все большее распространение, особенно в сетях городского и регионального масштаба. Системы DWDM эффективно применяются в магистральных транспортных сетях, где основным требованием является большая пропускная способность сети и возможность её быстрого увеличения.

Недостаточная масштабируемость систем СWDM может быть преодолена внедрением гибридной технологии: DWDM поверх СWDM.

Новая концепция «мягкой» миграции от CWDM к DWDM позволяет объединить преимущества обеих систем. При соответствующем выборе лазера в одном канале CWDM можно организовать до восьми каналов DWDM, не нарушая работоспособности других каналов CWDM. При таком режиме работы каналы DWDM должны при помощи подходящего мультиплексора/демультиплексора соединяться с пассивным каналом CWDM.

В результате можно получить гибкое и экономное решение. Имея в своем распоряжении всего восемь каналов в системе CWDM, при необходимости увеличения их числа можно один из активных каналов CWDM перевести в пассивный режим и организовать в нем до восьми каналов DWDM. Для этого необходимо только подключить шасси DWDM с поддержкой восьми каналов. Семь оставшихся каналов CWDM плюс восемь новых DWDM дают в сумме 15 рабочих каналов. При возникновении необходимости в дальнейшем расширении системы можно проделать еще одну такую же операцию. В конце концов, восьмиканальная система CWDM превратится в 64-канальную систему DWDM, для чего потребуются не слишком большие затраты, при этом можно использовать уже имеющуюся систему.

Поиск по сайту: