Состояние вопроса и общие принципы построения оптических систем

Размещено на http://www.allbest.ru/

Состояние вопроса и общие принципы построения оптических систем



Введение

Единая система связи Российской Федерации (ЕСС РФ) является одной их самых динамично развивающихся отраслей экономики. Для удовлетворения непрерывно растущих потребностей в увеличении пропускной способности сетей связи РФ интенсивно внедряются системы передачи с временным уплотнением - системы синхронной цифровой информации различных иерархий скоростей - СТМ-4, СТМ-16, СТМ-64, в ближайшей перспективе СТМ-256 (40 Гбит/с, что является предельной для электронных методов обработки сигналов). В этих системах цифровые потоки передаются на одной оптической несущей с определенной длиной волны. Дальнейшее повышение скорости передачи возможно только с использованием чисто оптических методов временного уплотнения, обозначаемых в англоязычной технической литературе аббревиатурой OTDM (Optical Time Division Multiplexing).

Имеются сведения о успешном испытании ВОСП с OTDM по передаче цифровых потоков информации со скоростью 160 Гбит/с на расстояние до 300 км [1] и 1,28 Тбит/с на расстояние до 70 км [2]. Альтернативным методом повышения пропускной способности ВОСП является передача необходимого количества цифровых потоков информации упомянутых выше иерархий скоростей на соответствующих оптических длинах волн (1,….m) по одному оптическому волокну. Такой метод увеличения пропускной способности оптического тракта получил название «уплотнение оптических сигналов по длинам волн» - WDM (Wavelength Division Multiplexing), при плотном размещении оптических каналов в окне прозрачности - DWDM (где первая D - dense (плотный)). В отечественной отраслевой технической литературе в соответствии с РД 45.286.2003 [3] используются термин «волоконно-оптические системы передачи со спектральным разделением оптических каналов» и аббревиатура ВОСП-СР. В настоящее время ВОСП-СР получили широкое распространение во многих странах мира, включая Россию. Оборудование ВОСП-СР производят также ведущие компании мира, такие, как Nortel Networks (Канада), Lucent Technologies (США), NEC (Япония), Siemens и Alcatel (Германия), Huawei (Китай), ИРЭ-Полюс (Россия), и некоторые другие, а отдельные компоненты для ВОСП-СР производят более 20 компаний мира.

Увеличение пропускной способности ВОСП достигнут внедрением оптических и квантово-электронных технологий, которые ориентированы на полное вытеснение электронных методов обработки сигналов оптическими. Этот процесс получил название фотонизации систем связи и его можно считать состоявшимся, поскольку на этом участке ВОСП-СР используются полностью оптические компоненты: оптические волокна и оптические компоненты (ОК) на их основе: оптические усилители передачи и приема, оптические промежуточные усилители, полностью оптические компенсаторы хроматической дисперсии, полностью оптические 2R- и ЗР-регенераторы. Следует отметить, что сегодня один из самых важных компонентов оптического тракта - ОВ по коэффициенту затухания, приблизился (на длине волны 1550 нм) к теоретическому пределу 0,151 дБ/км (теоретический предел 0,14 дБ/км) [4]. Для уменьшения влияния оптических нелинейных явлений, возникающих в ОВ при введении в него оптического группового сигнала с повышенным уровнем мощности (+23...30 дБм), созданы одномодовые оптические волокна с большой эффективной площадью поперечного сечения Аэфф = 211 мкм2 [5]. Исследования в области создания микроструктурированных (дырчатых) оптических волокон указывают на возможность снижения коэффициента потерь до ~ 0,1 дБ/км за счет уменьшения релеевского рассеяния. Уменьшение релеевского рассеяния в «дырчатых» волокнах обусловлено тем, что значительная часть энергии оптического сигнала распространяется в физических каналах, представляющих собой трубки диаметром 1...1.5 мкм, содержащие воздух или вакуум. Оптический тракт регенерационных секций магистральных ВОСП-СР большой протяженности, как правило, содержит до 7...8 оптических промежуточных усилителей и до 9 элементарных кабельных участков (ЭКУ). Длина одного ЭКУ (Lэку) обычно не превышает 180 - 200 км, что явно недостаточно для местностей (азиатской части территории РФ), где нет населенных пунктов и источников электрического питания. Существенное увеличение Lэку для ВОСП-СР, проходящих через такие территории, может быть достигнуто с помощью применения здесь рамановских оптических усилителей. Преимущество последних состоит в том, что активной (усиливающей) средой является обычное рабочее волокно, по которому передается информационный оптический сигнал, т.е. часть самого оптического тракта в виде оптического кабеля превращается в распределенный оптический усилитель длиной до 50 км. Одним из основных факторов, ограничивающих длину регенерационной секции ВОСП-СР, является увеличение длительности информационных оптических импульсов в процессе их распространения в ОВ, что приводит к взаимному наложению информационных символов и возникновению ошибок при приеме сигналов. Это увеличение длительности вызвано хроматической дисперсией в ОВ, которая для одноволновых ВОСП практически нейтрализуется введением дискретных компенсаторов, основанных на использовании сдвоенных дифракционных решеток Брэгга. Однако в системах передачи с 20-ю и более спектральными сигналами, устройство компенсатора резко усложняется, что приводит к необходимости дополнительного увеличения потребляемой электрической мощности для температурной стабилизации, увеличению габаритов и неприемлемого повышения стоимости.

В системах ВОСП-СР проблема компенсации хроматической дисперсии решается с помощью использования оптического волокна с отрицательным коэффициентом хроматической дисперсии. Такие компенсаторы не требуют температурной стабилизации (т.е. дополнительных энергозатрат) и являются распределенными. Их достоинством является широкополосность, которая позволяет одним компенсатором осуществлять компенсацию дисперсии во всем рабочем диапазоне. Их основным недостатком является большой коэффициент затухания, который нейтрализуется дополнительными оптическими усилениями. Включение дополнительного ОУ приводит к возрастанию мощности усиленного спонтанного излучения, в результате чего снижается отношение с/ш и уменьшается энергетический потенциал.

В настоящее время в реализованных проектах ВОСП-СР используются оптические квантово-электронные регенераторы и хотя созданы полностью оптические 2R- и ЗR-регенераторы (без преобразования в электронную форму энергии сигналов [6,7]), последние изделия высоких технологий имеют высокую стоимость, что препятствующую их широкому использованию в коммерческих ВОСП-СР. Таким образом, проблема уменьшения влияния хроматической дисперсии остается актуальной. Решение этой проблемы просматривается по трем направлениям: разработка и снижение стоимости оптического волокна с пониженным коэффициентом дисперсии и малым коэффициентом наклона дисперсионной характеристики (ОВ стандарта G.655 ITU-T); применение в оптическом тракте чередующихся участков с волокнами с положительным и отрицательным коэффициентом дисперсии в сочетании с рамановским усилителем; использование в передающих устройствах на стороне передачи или в регенерационных пунктах полупроводниковых лазеров с внешними модуляторами. Использование внешней модуляции дает возможность ограничить ширину линии излучения практически только спектром модулирующего сигнала.

Наибольший эффект это дает в системах со скоростями передачи 622 Мбит/с или 2,5 Гбит/с. Успешная фотонизация магистральных и зоновых сетей практически снимает ограничения по пропускной способности и дальности передачи информации на ближайшие 5 - 10 лет. Эти утверждения могут быть подтверждены тем, что достигнутая пропускная способность экспериментальной ВОСП-СР 11 Тбит/с [8] далеко превосходит потребности сегодняшних дней, а начало реализации проекта SAT-3/WASL протяженностью 28 тыс. км [9] свидетельствует о решении проблемы дальности передачи.

В заключении обзора общего состояния следует сказать, что сегодня с успехом эксплуатируются: подводный участок трассы Копенгаген - С.Петербург (протяженностью 1325 км), линия Москва - Копенгаген, ведется строительство Транссибирской оптической линии длиной более 17000 км, которая пройдет через всю Россию и свяжет Восток и Запад страны со странами Европы. Этот участок замкнет глобальное волоконно-оптическое кольцо цифровой связи, охватывающее четыре континента (Европа, Азия, Америка, Австралия) и три океана (Атлантический, Тихий, Индийский). В 1988 г завершено строительство ВОСП Европа - США (через Атлантический океан), Япония-США-Канада (через Тихий океан), ВОСП в 16000 км Австралия - Новая Зеландия - Северная Америка (через Гавайи). Завершается прокладка трансатлантической линии в 6000км без усилителей Америка-Европа (применяется волокно из тетрафторида циркония (0,01 дБ/км на 2,5 мкм) и фторид бериллия (0,005 дБ/км на 2,1 мкм)).



1. Обобщенная схема оптической системы

В системах оптической связи происходит передача и обработка световых или оптических сигналов. Выбор вида светового излучения и длины волны для оптической связи зависит как от характера передаваемого сообщения, так и от возможностей создания такого излучения, формирования из него сигнала, передачи и обработки световой волны и, наконец, приема сигнала, содержащего информацию. Обобщенная схема ВОСП приведена на рис. 1.

Рис. 1

Рис.1

В ее составе: СП - система передачи, ОС - оборудование сопряжения, Опер - оптический передатчик, ОВ - оптическое волокно, ОР - оптический ретранслятор, Опр - оптический приемник. Тракт передачи включает в себя : СП, ОС, ОПер, а тракт приема: СП, ОС, Опр и входят в состав оконечных станций А и Б. В волоконно-оптический линейный тракт входят : ОПер, ОВ, ОР и Опр.

С передающих станций 1-N первичные электрические сигналы поступают на систему передачи. С выхода СП многоканальный электрический сигнал подается в ОС, где он преобразуется в форму, целесообразную для передачи по волоконно-оптическому линейному тракту. В оптическом передатчике электрический сигнал путем модуляции оптической несущей преобразуется в оптический, который далее передается по ОВ.

Локальные линейные ВОСС могут выполняться: двухпроводными однополосными однокабельными; одноволоконными однополосными однокабельными; одноволоконными многополосными однокабельными (со спектральным уплотнением). Обобщенная схема ВОСС на рис. 2 имеет только одно направление передачи, причем передача и прием осуществляются по двум волокнам и на одной волне. Каждое ОВ является эквивалентом двухпроводной физической цепи. Поскольку взаимное влияние между ОВ кабеля практически отсутствуют, то тракты передачи и приема различных систем организуются по одному кабелю, т.е. ВОСП является однокабельной. Ее достоинства: однотипность оборудования передачи и приема оконечных и промежуточных станций, а недостатком - малый коэффициент использование пропускной способности ОВ.

Рис. 2

Учитывая, что доля затрат на кабельное оборудование составляет значительную часть стоимости системы связи, а цены на ОВ в настоящее время достаточно высоки, возникает задача повышения эффективности использования каналов за счет одновременной передачи по ОВ большего объема информации. Этого добиваются, например, передачей информации во встречных направлениях по одному ОВ. Схема одноволоконного однополосного однокабельного ВОСП приведена на рис. 3.

Особенность такой системы является использование ОВ для сигналов в двух направлениях на одной длине волны. Такие системы значительно эффективнее первых, но при дуплексной передачи информации появляются переходные помехи между информационными потоками, распространяющимися во встречных направлениях.

Рис. 3

Эти помехи возникают за счет обратного релеевского рассеяния в ОВ и ответвителях, отражения света от сварных стыков и разъемных соединений на концах линии. Уровень помехи и ее спектральный состав в основном зависят от передаваемого сигнала (скорости передачи, формы импульсов) и параметров линейного тракта (затухания волокна, его длины, числовой апертуры, профиля показателя преломления).

Среди основных характеристик каналов передачи чаще всего оперируют модулем коэффициента передачи (HL) и его зависимостью от частоты (рис. 4) и зависимостями переходного затухания от скорости передачи информации для многомодовых (рис. 5, а) и одномодовых ОВ (рис. 5, б).

Рис. 4



При использовании в дуплексных ВОСП с линейными ретрансляторами на полупроводниковых квантовых усилителях (ПКУ) также возникают переходные помехи, основными источниками которых являются модуляция коэффициента усиления ПКУ для одного канала оптического излучения встречного канала, обратный поток суперлюминесцентного излучения и остаточное отражение от торцов усилительного кристалла. Модуляция коэффициента усиления обусловлена концентрацией носителей в активном слое от мощности оптического излучения на входе ПКУ.

а б

Рис. 5

В целом помехи этого типа уменьшаются с увеличением скорости передачи информации и величина их оказывается несущественной, если уровень входного сигнала не превышает -25…-30 дБ, при этом переходное затухание более 17 дБ.

Остаточное отражение от торцов усилителя (значение которого достигает 103) приводит к появлению попутного и обратного потоков излучения. Отношение сигнала к мощности помехи обратного потока лежит в пределах 5 … 10 дБ, что значительно меньше допустимой величины (12 дБ). Переходное затухание помехи обратного потока суперлюминесцентного излучения в диапазоне изменения мощностей входного сигнала 10-9 .. 10-5 Вт имеет значение 5,3…5,5 дБ. Ослабление последних двух источников переходных помех достигается введением оптических фильтров (ф 0,1 нм) на входе фотоприемного устройства и широкополосного (ф 2 нм) на выходе оптического усилителя. Переходное затухание в этом случае будет не менее 25 дБ.

Наиболее полная реализация возможностей дуплексных оптических систем связи с линейными ретрансляторами на ПКУ достигается в совокупности с одночастотными полупроводниковыми излучателями.

В ВОСП со спектральным уплотнением (одноволоконные многополосные однокабельные) по одному оптическому волокну одновременно передается несколько спектрально разнесенных оптических несущих, каждая из которых модулируется, как правило, многоканальным цифровым сигналом. Возможность построения таких систем основывается на сравнительно слабой зависимости коэффициента затухания ОВ в пределах используемого спектрального диапазона от частоты оптической несущей. Поэтому, применяя метод частотного разделения, по одному ОВ (подобно многоствольным радиорелейным системам передачи), можно организовать несколько широкополосных оптических каналов, увеличив тем самым результирующую скорость передачи информации. Это позволяет обойти ограничение на скорость передачи по одному ОВ, связанное с дисперсионными искажениями. Структурная схема системы передачи со спектральным разделением каналов приведена на рис. 6.

В такой системе на передающей станции имеется n систем передачи, сигналы с которых передаются на n оптических передатчиков Опер, получающих оптические несущие с длинами волн 1, 2, … n . С помощью устройств спектрального объединения (УСО) осуществляется ввод различных оптических несущих в одно ОВ. На приемной стороне в устройстве спектрального разделения (УСР) оптические несущие разделяются в пространстве и поступают на оптические приемники Опр. Таким образом по одному ОВ организуется n спектрально разделенных оптических каналов, т.е. коэффициент использования пропускной способности увеличивается в n раз по сравнению с традиционным построением линейных трактов оптических систем.

Рис. 6

Мультиплексирование

В локальных и особенно в протяженных сетях емкости магистральных линий связи значительно превышают емкости передач отдельных приложений. Это, как было показано выше, позволяет передавать одновременно множества различных приложений. Дополнительно, сами приложения могут иметь разную природу, например, это может быть передача постоянного битового потока или передача файлов данных. С целью повышения эффективности передающей среды (носителя) и ее адаптации под множество разнородных приложений применяется передача одновременно сразу нескольких информационных сигналов в одном носителе - мультиплексирование.

Известные методы уплотнения ВОЛС аналогичны радиотехническим (временное, пространственное, частотное) и дополняются спектральным и пространственным, отличающимися лишь методами их реализации.

В современных ВОСС широкое применение нашли два основных вида мультиплексирования: частотное и временное.

- Частотное мультиплексирование FDM (используется также термин мультиплексирование с частотным уплотнением): каждому сигналу отводится определенная доля всей частотной полосы носителя, так что на одном носителе существуют одновременно сразу несколько сигналов.

- Временное мультиплексирование TDM (также используется термин мультиплексирование с разделением времени): сигналу каждого приложения выделяется вся полоса носителя, но на короткий промежуток времени - тайм-слот, так что мультиплексный сигнал представляется в виде последовательности сменяющих друг друга тайм-слотов, ответственных за разные приложения.

В общем случае, объединение нескольких информационных потоков в один, может осуществляться как на уровне электронной аппаратуры (электрических сигналов), так и на уровне оптических сигналов. Схема, реализующая первый вариант, показана на рис. 7. При объединении электрических сигналов две серии импульсов (источников может быть значительное количество), поступающих с входов А и В, с помощью устройства объединения (УО) суммируются в определенной последовательности чередования в групповой сигнал которым в оптическом передатчике (ОПер) осуществляется модуляция оптическая несущая. Промодулированный оптический сигнал распространяется по ВОЛС и в оптическом приемнике (ОПр) вновь преобразуется в электрический сигнал, который разделяется устройством разделения (УР) на две серии импульсов, подобных входным, которые поступают на выходы А* и В*.

Рис. 7

Схема объединения оптических цифровых потоков показана на см. рис. 8. Электрические цифровые потоки от n источников поступают на n оптических передатчиков, в которых электрические сигналы преобразуются в оптические. Перед объединением оптических сигналов происходит их задержка на t; 2t; 3t….(n-1)t. После такой задержки на выходе оптического смесителя (ОС) получаем последовательность оптических импульсов. При приеме выполняется обратное преобразование.

При временном уплотнении требуется передача световых импульсов длительностью менее 10-9 с. Формирование и передача субнаносекундных импульсов предъявляет чрезвычайно высокие требования к быстродействию оптоэлектронных компонентов приемопередающей аппаратуры ВОСС, близкие к их предельным возможностям. Кроме того, скорость передачи (широкополосность) ограничена дисперсионными свойствами ОВ.

Рис. 8

Основным достоинством временного уплотнения являются увеличение коэффициента использования пропускной способности ОВ (экспериментально получены скорости передачи 8….16 Гбит/с) и возможности создания полностью оптической сети связи.

Пространственное уплотнение использует такие преимущества ОВ, как гибкость и малые размеры, что позволяет создавать ОК, содержащий несколько десятков ОВ (см.рис. 9). При этом методе уплотнения число ВОСП равно числу ОВ в ОК и, следовательно, пропускная способность определяется числом ОВ в кабеле.



Рис. 9

Недостатками такого уплотнения являются: большой расход ОВ, значительные затраты на каблирование, т.е. высокая стоимость линейного тракта. Для магистральных ВОСП, где стоимость 1 кан.-км определяется в основном стоимостью ОВ, этот метод не обеспечивает улучшения технико-экономической эффективности.

В рамках TDM различают синхронное мультиплексирование (каждому приложению соответствует тайм-слот (возможно несколько тайм-слотов) с определенным порядковым номером в периодической последовательности слотов, и асинхронное или статистическое мультиплексирование, когда приписывание тайм-слотов приложениям происходит более свободным образом, например, по требованию.

На рис. 10 показаны схемы размещения каналов при TDM и FDM.

Устройство, принимающее несколько каналов от разных приложений (например, голос, видео, данные) и передающее их в виде мультиплексного сигнала на одном носителе, называется мультиплексором (MUX), а устройство, выполняющее обратную функцию на другом конце - демультиплексорам (DEMUX). Обычно в системах двунаправленной связи функции мультиплексирования и демультиплексирования совмещаются в одном устройстве, которое также называется мультиплексором.



а

б

Рис. 10

Частотное мультиплексирование FD

Частотное мультиплексирование (рис. 10 б) распространено в системах беспроводной радиосвязи, в мобильных телефонных системах, в абонентских телевизионных системах, включая кабельное телевидение и телефонию. Каналы, представленные в мультиплексном сигнале, могут быть как аналоговыми, так и цифровыми.

В сетях широковещательного телевидения сначала исходные низкочастотные телевизионные сигналы от передающих устройств смещаются модуляцией в отведенные для них области спектра - каждой области отводится полоса 6,5 МГц. Затем такой мультиплексный широкополосный сигнал (до 860 МГц) распространяется по эфиру или в коаксиальной кабельной системе от локальных студий кабельного телевидения к абонентам.

Таким образом для получения группового линейного сигнала требуется близкое расположенные стабильные оптические несущие, что трудно реализовать в случае полупроводниковых лазеров (особенно при высокоскоростной модуляции), и приводит к тому, что расстояние по спектру между рабочими длинами волн соседних каналов во много раз превышает полосу информационного сигнала. Поэтому для получения близко расположенных спектральных каналов в ВОСП используются различные несущие не от разных источников, а от одного с помощью сдвига оптической несущей.

Достоинства этого метода в том, что длина участка регенерации за счет гетеродинного приема возрастает до 200 км при значительном повышении коэффициента использования пропускной способности ОВ. Недостатками является то, что требуется оптический тракт приема и передачи с сохранением поляризации, а также ряд специальных устройств: сдвига частоты, оптических вентилей, контролеров поляризации, оптических усилителей, схемы автоподстройки частоты и т.п., что усложняет и увеличивает стоимость ВОСП.

Разновидностью FDM является волновое мультиплексирование WDM, применяемое в ВОСП, главным образом в области спектра от 1,3 нм (230 ТГц) до 1,6 нм (188 ТГц). Для плотного волнового мультиплексирования используется область спектра 1530 - 1560 нм.

Спектральное уплотнение - один из перспективных методов увеличения коэффициента использования пропускной способности ОВ. Этот метод является альтернативным пространственному уплотнению, а положительный эффект достигается за счет сокращения стоимости используемого волокна в линейном кабеле. Преимуществом этого метода является полное использование сверхширокой спектральной полосы пропускания ОВ. Сегодня освоен диапазон 0,8…1,8 мкм. Если принять, что ширина спектрального канала 10 нм, то в указанном диапазоне размещается до 100 спектральных каналов.

Основными компонентами ВОСП со спектральным разделением являются мультиплексоры и демультиплексоры, которые подразделяются на спектрально-нечувствительные и спектрально-чувствительные. К первым относятся волоконные направленные ответвители, соединительные устройства, а также устройства на градиентных линзах. Вторые, содержат элементы, характеристики которых зависят от оптической длины волны - это: дифракционные решетки, призмы, фильтры. Конструктивно мультиплексоры разделяются на объемные многоэлементные, объемные интегральные, планарные, волоконные, гибридные и др.

В ВОСП со спектральным разделением целесообразно использовать одномодовые ОВ с малым затуханием и лазерные источники с повышенной мощностью излучения. Для обеспечения большего энергетического потенциала, оптические каналы следует располагать в одном окне прозрачности, где потери в ОВ минимальны.

Относительно высокие плотности оптической энергии в одномодовых ОВ вызывают появление нелинейных эффектов, наиболее заметным из которых является эффект усиления вследствие комбинационного рассеяния (УВКР), который обусловлен резонансным взаимодействием оптических несущих с оптическими фотонами вещества ОВ. Из-за УВКР в таких ОВ наблюдается взаимодействие между оптическими сигналами различных оптических каналов, что выражается в уменьшении мощности оптических несущих с меньшей длиной волны и увеличением за счет этого мощности оптических несущих с большими длинами волн.

При синхронном временном мультиплексировании объединяется n низкоскоростных цифровых каналов (или n периодически повторяющихся равных по длительности тайм-слотов) внутри одного носителя. С целью лучшей синхронизации непрерывного битового потока, в мультиплексорах используются таймеры с высоким стандартом частоты. На рис. 10 б показана схема следования тайм-слотов при 12-канальном TDM. Тайм-слоты с номером 1 соответствуют первому приложению, с номером 2 - второму и т.д. Емкость отдельного приложения - емкость тайм-слота - равна W/n, где W - полная полоса носителя. Емкие приложения могут занимать полосу в несколько тайм-слотов.

Если от одного из приложений не поступают данные, мультиплексор не сбрасывает тайм-слоты этого приложения в скоростном канале и оставляет для него прежнюю полосу W/n. Никакому другому приложению эта полоса не доступна. Более того, ни одно из приложений не может получить большую полосу пропускания, чем ту, которая отводится, что является особенностью синхронного мультиплексирования.

Мультиплексирование может происходить на октетном, битовом или кадровом уровне. При мультиплексировании на октетном уровне последовательности в 8 битов от каждого из n приложений - октеты - циклически сменяют друг друга. Задержка на время буферизации одного октета возникает между входным низкоскоростным и выходным мультиплексным потоками.

При мультиплексировании на битовом уровне происходит побитовое смешивание входных потоков. Более критичными, в этом случае, становятся требования к временным характеристикам, но и уменьшается задержка, вносимая мультиплексором. В городских коммутируемых телефонных сетях мультиплексирование на битовом уровне используется при построении скоростных мультиплексных каналов.

При мультиплексировании на кадровом уровне кадры (специальные битовые последовательности с заголовком, сигнальными полями и полями данных) из входных низкоскоростных каналов смешиваются в выходном мультиплексном канале. Этот вид мультиплексирования характерен при построении асинхронных мультиплексоров.

Логическая топология определяет характер движения данных в мультиплексном канале. Три основных типа логической топологии могут иметь синхронные мультиплексные системы: соединение "точка-точка ", цепное соединение и кольцевое соединение, рис. 11.



Рис. 11

Допускаются более сложные смешанные логические топологии

Физическая топология определяет структуру кабельной системы. Для повышения надежности сложные мультиплексные сети, использующие логическую топологию "кольцо", делают с использованием физической топологии "двойное кольцо", рис. 12. В нормальном состоянии активно первичное кольцо, а по вторичному кольцу данные не идут.

При повреждениях канала связи или одного из мультиплексоров происходит свертывание логического кольца с восстановлением его целостности, при котором активизируется вторичное кольцо при этом общая целостность сети также сохраняется. Физическая топология "двойное кольцо" используется и в сетях SDH, а также в некоторых локальных сетях Token Ring, DQDB, FDDI.

Рис. 12



По каждому из каналов мультиплексор может поддерживать одну из шести функций выделения, добавления или пропускания каналов (drop-add-pass), рис. 13:

1. "Drop & Add" (выделение и добавление канала). Эту функцию могут поддерживать мультиплексоры как при цепной (на промежуточных узлах), так и при кольцевой логических топологиях. При цепной топологии один выходной канал может быть заменен на другой, например, при использовании специальных мультиплексоров для межстудийного обмена в сетях цифрового кабельного телевидения. При кольцевой топологии этой функцией могут обладать два или более мультиплексоров, которые сообща используют данный TDM канал, например, при организации удаленной связи сетей Ethernet или Token Ring. Фактически происходит подмена информации в соответствующих тайм-слотах.

Рис. 13

2. "Drop & Pass" (выделение и пропускание). Эта функция наиболее характерна для физической топологии "цепная линия". Основная задача - размножить информационный поток. Структура ретранслируемых в мультиплексный канал тайм-слотов остается без изменения.

3. "Рass Only" (только пропускание). Эта функция обычно автоматически отрабатывается мультиплексором, если в физический слот мультиплексора, соответствующий данному каналу (номеру тайм-слота), не установлен ни один модуль.

"Terminate & Add" (прервать и добавить). Эта функция подменяет информацию в тайм-слотах соответствующего канала на новую, взятую из входного низкоскоростного канала и фактически предназначена для начального (мастер) мультиплексора при физической топологии "цепная линия".. Прежняя информация не выводится наружу и становится недоступной как для текущего, так и для последующих мультиплексоров.

5. "Drop Only" (только выделение). Эта функция характерна для конечного мультиплексора при физической топологии "цепная линия".

6. "Terminate" (прерывание). Эта функция характерна для конечного мультиплексора при физической топологии "цепная линия" и автоматически отрабатывается конечным мультиплексором, если в физический слот мультиплексора, соответствующий данному каналу (номеру тайм-слота), не установлен ни один модуль.

В практических реализациях скоростной мультиплексный канал строится преимущественно на основе волоконно-оптического интерфейса. Существует огромное разнообразие мультиплексоров, использующих волоконно-оптическую ТDМ-магистраль.

Оптический модем-мультиплексор Optimux производства RAD Data Communications [1]. Схема включения модема показаны на рис. 14, а в табл. 1 приведены технические характеристики.

Рис. 14

Аналогичные оптические модемы-мультиплексоры, также широко используемые на российском рынке, выпускаются фирмами: ADC Telecommunications - продукт Quad Fiber Loop Converter, 4хЕ1 [2]; и Pan Dacom - продукт FME-Н, 6Е1 [3].

Модульный ТDМ мультиплексор MagnumPlus фирмы ADC Kentrox более универсальное и прогрессивное решение, допускающее передачу множества различных протоколов. Его основные характеристики приведены в табл. 2 [4].

Таблица 1

Отметим, что логическая топология взаимодействия мультиплексоров MagnumPlus по TDM магистрали базируется на кольце, а физическое соединение может быть как точка-точка так и кольцо, или цепная линия. Кольцевая логическая топология необходима для дистанционного мониторинга и управления мультиплексорами на основе TDM магистрали.

При инициализации TDM магистрали одно из устройств автоматически выбирается мастером - по нему синхронизируются все остальные устройства. При подключении мультиплексоров через сеть SDH, синхронизация происходит от SBH магистрали.

Таблица 2

Тип логического соединения	кольцо
Тип физического соединения	точка-точка, двойное кольцо, цепная линия
Полная емкость мультиплексного канала, Мбит/с	155 (возможно подключение устройств через магистраль STM-1)
Тип среды передачи	оптическое волокно многомодовое (mm)/ одномодовое (sm)
Характеристики модулей общей логики	1300 нм; mm, 12 дБ / mm, 20 дБ / sm, 20 дБ / sm, 30 дБ 1550 нм: sm, 20 дБ
Число тайм-слотов в мультиплексном канале	28
Число In/Out слотов на одно шасси	8 (гибкое приписывание физических слотов к тайм-слотам)
Емкость тайм-слота, Мбит/с	4,7
Поддерживаемые интерфейсы по низкоскоростным входным каналам	Ethernet, Token Ring, EIA RS-449/RS-422, V.35, RS-232, RS-530, E1/T1, IBM 3270, AS/400, System/3X
Другие характеристики	Допускается резервирование по каналу связи (автоматическое реконфигурирование двойного кольца при повреждении) и по питанию, управление по SNMP протоколу, гибкое приписывание In/Out модулей в физических слотах к тайм-слотам

Модули MagnumPlus

- Интерфейсные модули (IN/OUT). Чтобы удовлетворить тем или иным специфическим требованиям, имеется большое разнообразие модулей, среди которых модули Ethernet Switch (разъем AUI, BNC, F/O), Token Ring 4 или 16 Мбит/с (разъем DB9), E1 (G.703).

- Модули питания. Питание может осуществляться от источников 48 В постоянного, 110 В и 220 В переменного тока. Для обеспечения защиты на случай выхода из строя блока питания допускается установка до двух блоков питания с распределяемой нагрузкой.

- Модуль контрольной логики. Необязательный модуль, позволяющий осуществлять дистанционное SNMP управление и мониторинг.

- Модули общей логики. Обеспечивают все необходимые возможности мультиплексирования и демультиплексирования на основе волоконно-оптического интерфейса (155 Мбит/с) или интерфейса на коаксиальном кабеле (DS3, 45 Мбит/с).

Похожие модульные TDM мультиплексоры выпускаются фирмами Base-Fibroins (Multi-HUB) [5] и Racal Data Group (PremNet 5000, PremNet Branch) [6].

Синхронная цифровая иерархия SDH - наиболее широко распространенная технология синхронного временного мультиплексирования - рассматривается в последующих разделах.

Статистическое (асинхронное) временное мультиплексирование

Взрывная природа трафика, свойственная сетям передачи данных, привела к разработке более гибкого метода мультиплексирования - статистического. В этом методе тайм-слоты не приписываются жестко за каналами и могут более свободно распределяться под приходящие по разным каналам данные. Времена прибытия данных, а не номера низкоскоростных каналов определяют последовательность, в которой данные от разных каналов размещаются в тайм-слоты. Каждый раз, когда тайм-слот испускается в мультиплексную линию, мультиплексор добавляет к нему специальный идентификатор, по которому демультиплексор на другом конце определяет, в какой выходной канал перенаправить содержимое данного тайм-слота. Если на вход мультиплексора данные не поступают, то он передает пустые тайм-слоты с пустыми полями идентификаторов. Асинхронность выражается не в асинхронном испускании тайм-слотов (они следуют строго регулярно), а в допустимости асинхронного размещения приходящих данных в тайм-слоты.

Заметим, что идентификатор, выполняя важную функцию в этом методе мультиплексирования, является служебной информацией и, таким образом, уменьшает полосу, которая могла бы использоваться под передачу данных.

Статистический TDM мультиплексор предоставляет приложению такую полосу, которую оно запрашивает, но если эта величина не превосходит свободной емкости мультиплексной линии. Суммарная величина полос пропускания низкоскоростных каналов, входящих в мультиплексор, может превосходить полосу пропускания скоростного канала. Используется то, что не все низкоскоростные приложения осуществляют одновременно передачу.

Статистическое мультиплексирование требует более сложного управления и значительно большей вычислительной мощности от оборудования.

Сначала статистическое мультиплексирование было использовано в сетях с протоколом Х.25, позже - в сетях Frame Relay и ATM.

В табл. 3 приведен сравнительный анализ синхронного и статистического методов временного мультиплексирования, откуда следует, что преимущества одного метода можно рассматривать отчасти как недостатки другого.

Таблица 3

Преимущества синхронного TDM	Недостатки статистического TDM
- Простая технология изготовления мультиплексора - Гарантированная полоса пропускания для всех приложений, потери при передаче отсутствуют - Не требуется использование специальных идентификаторов каналов - Высокая защищенность потока данных внутри тайм-слота	- Более сложная технология изготовления мультиплексора, выше стоимость - Могут быть потери или задержки в приложениях с меньшим приоритетом - не всегда гарантируется полоса - Требуется использование специальных идентификаторов каналов, которые являются служебными и отнимают часть полосы. Более сложное конфигурирование
Преимущества статистического TDM	Недостатки синхронного TDM
- Выше эффективность мультиплексного канала при - Приложение может использовать всю полосу канала, если он свободен. Емкие критические к задержкам приложения могут быть быстро переданы - Допускается система приоритетов по получению доступа и к каналу и по требуемой, полосе для приложения - Высокая гибкость в организации соединений	- Низкая эффективность при работе с сетями передачи данных - Приложение может использовать только емкость отведенного тайм-слота

Пример 1. Расчет производительности статистического мультиплексора

Допущения. Рассмотрим работу гипотетического статистического 4-канального мультиплексора, рис. 15 а [7]. Пусть максимальная скорость (полоса пропускания) каждого из 4-х входных каналов составляет 300 бит/с, а входные данные представляются 8-битными символами в обкладках "старт" и "стоп" битов. В процессе мультиплексирования биты "старт" и "стоп" сбрасываются, а два дополнительных бита (поле идентификатора) добавляются к тайм-слотам в мультиплексном канале, что приводит к общей длине 10 бит для тайм-слота.

Отклонения. Из-за нерегулярности входных потоков, средняя скорость по каждому из низкоскоростных каналов меньше 300 бит/с. Мультиплексный канал работает со скоростью 600 бит/с. Таким образом, полоса пропускания мультиплексного канала в два раза меньше суммарной емкости 4-х низкоскоростных каналов. Каждый символ, прибывающий на мультиплексор, преобразуется в соответствующий тайм-слот. Если символы с разных каналов приходят на мультиплексор одновременно, они обрабатываются последовательно в соответствии с предустановками. При условиях рис. 15 а средняя битовая скорость по первому каналу равна 120 бит/с, по второму - 150 бит/с, по третьему - 120 бит/с, по четвертому - 90 бит/с. В итоге средняя битовая входная скорость равна 480 бит/с. Загруженность мультиплексного канала составляет 80% (заполнены 16 слотов из 20). Эффективность кода равна 80 % - каждый тайм-слот содержит двухбитный идентификатор, вследствие чего полезная информация составляет 8 бит из 10-ти в тайм-слоте, а выходная скорость - 480 бит/с (выход 64% это загруженностьэффективность кода).



а

б

Рис. 15

Для сравнения на рис. 15 б приведены параметры работы синхронного мультиплексора. Эффективность кода 100% является следствием отсутствия при синхронном мультиплексировании служебных идентификаторов у тайм-слотов.

Инверсное мультиплексирование

Если обычное мультиплексирование объединяет n низкоскоростных каналов в один высокоскоростной, то инверсное мультиплексирование можно рассматривать как обратную процедуру, то есть как способ передачи скоростного потока данных посредством нескольких независимых каналов меньшей полосы пропускания, которые существуют на промежуточном участке между точками входа и выхода скоростного потока.

Инверсное мультиплексирование используется для передачи широкополосного сигнала, который не способен разместиться в одном независимом канале существующей телекоммуникационной сети. Например, сигнал видеоконференции емкости 384 Кбит/с не может быть передан по каналу 64 Кбит/с, но может быть разбит и размещен в шести таких каналах и вновь собран на другом конце. Также используют инверсное мультиплексирование, когда мультиплексор (или коммутатор) на промежуточном узле магистральной сети не может обрабатывать емкости больше заданной, например 64 Кбит/с.

На приемной стороне инверсный демультиплексор получает информацию с разных каналов и проводит сборку сигнала - эта процедура может требовать переупорядочения потоков из разных сегментов и компенсации задержек, возникающих в различных низкоскоростных сегментах. Принципы работы инверсного мультиплексора показаны на рис. 16.

Рис. 16

Инверсное мультиплексирование в ВОЛС. При передаче широкополосного сигнала по волокну на очень большие расстояния (до 1000 км и более) приходится считаться с затуханием и дисперсией сигнала в волокне. Затухание можно компенсировать при помощи оптических усилителей (EDFA), установленных на промежуточных узлах.

Дисперсию также можно уменьшать, используя специальные методики, но лишь до определенного предела. Кроме того, ОУ вносят дополнительный шум. Известно, что из двух оптических сигналов меньше подвержен влиянию шума и дисперсии тот сигнал, который модулируется меньшей частотой.

При проектировании и разработке городских оптических супермагистралей на скорости 10/100 Гбит/с (оценка максимального расстояния для канала с частотой 100 ГГц - 20 км приведена в примере раздела 2.5), единственным способом передачи широкополосных сигналов представляется деление его на множество низкоскоростных сигналов (см. рис. 17 инверсное мультиплексирование канала 100 Гбит/с в 40 каналов 2,5 Гбит/с) [8]. В результате мультиплексный сигнал, представленный множеством длин волн, лучше противостоит влиянию дисперсии и вносимому шуму ОУ в протяженной линии. В рассмотренном примере инверсное мультиплексирование совмещено с частотным (временным) мультиплексированием.

Рис. 17

Рассмотренные выше электронные и волоконно-оптические устройства входят в состав каналов оптической связи и совместно с ОВ обеспечивают параметры систем связи.

2. Волоконно-оптические сети

сетевой стандарт оптический мультиплексор

Технологии волоконно-оптических сетей помимо вопросов волоконной оптики охватывают также вопросы, касающиеся электронного передающего, приемного и ретрансляционного оборудования, его стандартизации, протоколов передачи данных, вопросы топологии сети и общие вопросы построения сетей.

Преимущества передачи, использующей оптическое усиление сигнала и плотное волновое мультиплексирование DWDM, изменили концепции построения оптических сетей. Менее чем за 10 последних лет емкость одного волокна в эксплуатируемых системах возросла с 2,5 до 1600 Гбит/с (т.е. выросла почти в 1000 раз). Такому прогрессу систем связи предшествовали исследования и отработка волоконно-оптических технологий. Анализ развития протяженных линий связи показывает, что в качестве среды передачи информации нет никакой альтернативы волокну. В течение последних лет мы наблюдаем соревнование одной волоконно-оптической технологии с новой, более совершенной волоконно-оптической технологией.

Выделяются следующие технологические этапы в развитии волоконно-оптических телекоммуникационных технологий.

Волокно: градиентное многомодовое волокно MMF стандартное одномодовое волокно SSF - волокно со смещенной дисперсией DSF волокно с ненулевой смещенной дисперсией NZDSF.

Источник излучения: светодиод лазер Фабри-Перо лазер DBR лазер DFB лазер VCSEL.

Длина волны: 850 нм 1300 нм 1550 нм использование С-диапазона (1530 - 1565 нм) использование С- и L-диапазонов (1530 - 1625 нм).

Число каналов: один канал двух-, трехоконное мультиплексирование (WDM: 850 нм, 1300 нм, 1550 нм) широкозонное волновое мультиплексирование CWDM (4, 8 каналов) плотное волновое мультиплексирование DWDM (16, 32, 40, 96, 192 канала).

Модуляция: формат NRZ формат HZ дуобинарный формат фазомодулированный формат RZ.

Восстановление сигнала: частая электронная регенерация эрбиевые усилители рамановские усилители компенсация хроматической дисперсии компенсация ПМД оптическая 3R-регенерация.

Скорость передачи по одному каналу: 2 Мбит/с 34 Мбит/с 155 Мбит/с 622 Мбит/с 2,5 Гбит/с 10 Гбит/с 40 Гбит/с 160 Гбит/с.

Маршрутизация сигнала: опто-электро-оптическое преобразование оптический мультиплексор ввода/вывода оптическая коммутация полностью оптическая сеть.

После первой волоконно-оптической коммуникационной системы (компания Standard-Telephones and Cables, сентябрь 1975 г.), в том же году несколько компаний заявили о передаче в реальном времени по оптическому MMF волокну в их испытательных сетях телефонного трафика (компании AT&T, General Telephone and Electronics, British Post Office и другие). Наряду с градиентным MMF волокном (G.651) в их состав входили светодиоды на основе арсенида галлия, излучающие на длине волны 850 нм [1]. Поскольку потери в волокне на этой длине волны были более чем существенны (3 дБ/км), такие линии связи строились с большим числом близко расположенных друг к другу регенераторов. Эти оптические магистрали были наземными, а для межконтинентальной связи все еще использовались подводные коаксиальные кабели.

С появлением одномодового волокна - стандартного SSF (G.652), - стало ясно, что значительно перспективней вести передачу на длине волны 1300 нм (ниже потери и дисперсия, большая скорость и больше расстояния).

Коммерческие преимущества новой технологии SSF продемонстрировала компания MCI в 1982 г., когда их система связи (функционирующая на длине волны 1300 нм) передавала данные на 50% быстрее и на расстоянии 30 км, чем система AT&T на MMF (передача на двух длинах волн, 850 и 1300 нм, расстояние 7 км). Другие компании, специализирующиеся на строительстве протяженных линий связи, быстро сделали выбор в пользу новой технологии на основе одномодового волокна. Между тем трансатлантические кабельные операторы продолжали терять рынок - подводные коаксиальные кабельные системы не могли больше противостоять появляющимся системам спутниковой связи - и в поисках ресурсов для увеличения полосы пропускания вынуждены были рассмотреть возможность использовать волокно. Подводные оптические кабели (ОК) начали производить позднее, чем кабели для наземных волоконно-оптических магистралей, что обусловлено сложностью изготовления подводного ОК - нагрузки на кабель и соответственно на волокна при укладке кабеля в грунт значительно меньше. Тем не менее, в 1988 г. консорциум компаний, ведомый AT&T, сдал в эксплуатацию первую трансатлантическую ВОСС ТАТ-8 (состоящую из 3 пар SSF, работающую на длине волны 1300 нм с расстоянием между повторителями 60 км).

Минимальные значение потерь в стандартном одномодовом волокне 0,2 - 0,25 дБ/км достигается на длине волны, близкой к 1550 нм. Минимальная хроматическая дисперсия, в окрестности нуля, достигается на длине волны 1310 нм. Чтобы обеспечить высокую скорость передачи на большие расстояния, необходимо свести к минимуму потери и дисперсию, причем на одной и той же длине волны.

Прямолинейным ответом было создание волокна со смещенной дисперсией (DSF, волокно G.653). Это волокно, имеющее нулевую дисперсию в окрестности длины волны 1550 нм, обещало быть оптимальным для одноканальной передачи. Однако две появившиеся впоследствии технологии (DWDM и EDFA) показали несостоятельность волокна DSF. Четырехволновое смешение, эффект, выражающийся в появлении дополнительных паразитных сигналов на частотах, являющихся комбинацией рабочих частот, которые также усиливаются, проходя через каскады усилителей EDFA. Этот эффект становится заметным при многоволновой передаче.

Одновременно две причины приводят к резкому увеличению нелинейных эффектов в волокне DSF: нулевая дисперсия в рабочем диапазоне длин волн и малое эффективное поперечное сечение. Уменьшение эффективного поперечного сечения связано с тем, что смещение дисперсии достигается за счет увеличения волноводной дисперсии при изменении профиля показателя преломления и уменьшении диаметра сердцевины.

В 1994 г. создается волокно с ненулевой смещенной дисперсией (NZDSF, волокно G.655), в котором длина волны нулевой дисперсии вынесена за пределы зоны усиления EDFA. И это волокно также оказалось не способным удовлетворить растущие потребности. Рост числа каналов, канальной скорости передачи, увеличение протяженности сегментов между усилителями - все эти факторы требуют увеличения мощности излучения, вводимого в волокно. В 1998 г. разрабатываются еще более совершенные волокна NZDSF с увеличенной эффективной площадью поперечного сечения, что снизило плотность световой энергии в волокне, а следовательно ослабило влияние нелинейных эффектов и увеличило дальность и скорость передачи информации.

В 1990 г. созданы первые ОУ на основе волокна, легированного эрбием (EDFA), которые несмотря на позднее рождение первыми проникают на телекоммуникационный рынок и на сегодняшний день доминируют на нем. Известные преимущества ОУ типа EDFA настолько значительны, что позволяют мириться с главным недостатком - дополнительным шумом, вносимым усилителем.

Три основных параметра характеризуют оптический усилитель - коэффициент усиления, мощность насыщения на выходе усилителя и шум-фактор.

Коэффициент усиления G (gain) (и его логарифмический эквивалент g = 10•lgG [дБ]) определяется отношением мощности (полезных) сигналов на выходе к мощности сигнала на входе усилителя.

Коэффициент усиления ОУ EDFA зависит от длины волны и мощности входного сигнала.

С практической точки зрения удобно ввести еще один параметр, характеризующий EDFA, Poutsat - мощность насыщения на выходе усилителя. Poutsat определяется как значение мощности сигнала на выходе, при которой коэффициент усиления G в два раза (g на 3 дБ) меньше максимального значения коэффициента усиления Gmax, достигаемого при малом входном сигнале. Эрбиевые усилители, используемые как усилители мощности, обычно работают в режиме насыщения, когда мощность сигнала на выходе близка или превосходит мощность насыщения Poutsat - именно в этом режиме удается получить максимальную выходную мощность и максимальную эффективность накачки.

Качество оптического сигнала характеризуют величиной, которую принято называть оптическим отношением с/ш (OSNR). OSNR равно отношению мощности полезного сигнала к мощности шума в спектральном интервале, определяемом окном фильтра или демультиплексора на приемной стороне. Значение OSNR должно быть достаточно большим, чтобы обеспечить требуемую для стандарта передачи максимально допустимую частоту появления ошибок ВЕR. По мере распространения сигнала между регенераторами значение OSNR может только убывать. Шум-фактор NF (noise figure) показывает, как сильно возрастает шум в усилителе по cравнению с полезным сигналом, и определяется как отношение сигнал-шум на входе (OSNRin) к отношению сигнал-шум на выходе (OSNRout).

Здесь следует отметить, что шум-фактор усилителя определяется в условиях, когда на вход подается идеальный когерентный сигнал частоты , т.е. сигнал с минимальным теоретическим значением мощности шума, определяемым квантовыми флуктуациями

PNin = h



где h - постоянная Планка, - ширина спектра оптического фильтра. Меньше этой величины уровень шума быть не может. У такого идеального сигнала отношение с/ш максимально возможное, но не бесконечное, и вычисляется по формуле

...