Введение

В наши дни системы связи стали играть одну из основ формирования общества. Повышение потребностей передачи данных начал стремительно расти с того момента как пользователям стал доступен интернет. Увеличение пропускной способности каналов связи значительно превысил самые смелые прогнозы.

Это и является одной из основной причин в увеличении пропускной способности. На сегодняшний день удовлетворить потребность абонентов в передачи данных можно только с помощью технологии на основе волоконно-оптических систем связи (ВОСП).

Система ВОСП лидирует среди остальных средств связи. Её отличием является высокая скорость передачи данных и защитой от не санкционированного доступа. Ведётся разработка и испытания новых ВОСП нового поколения с пропускной способностью несколько Тбит/с. Данные системы использую спектральное разделения каналов, а также новую элементную базу, основанную на современных технологиях.

Нынешний этап разработки ВОСП характеризуется серьёзным технологическим прорывом в области элементной базы позволяющая совершить скачок в области пропускной способности до Тбит/с и более. Такой технологией является DWDM уплотнения волнового мультиплексирования причиной появления данной технологии это невозможность увеличить скорость передачи потока STM по причине проскальзывания битов в среде передачи поэтому используется цифровой поток STM-64 со скоростью 9953,28 Мбит/с также существует цифровой поток STM-256 со скоростью 39813,12 Мбит/с, но к этому потоку применяются жесткие требования. Но благодаря технологии DWDM сигнал можно уплотнить и тем самым увеличить его скорость до нескольких Тбит/с так же существует технология позволяющая увеличить скорость канала без проскальзывания битов если перед мультиплексором DWDM поставить агрегатор который способен значительно увеличить пропускную способность канала.

Исходя из вышесказанного, формулируется цель выпускной работы, которая заключается в проектировании магистральной ВОСП с применением DWDM технологии.

Для достижения поставленной цели требуется решение следующих задач:

- реконструировать систему связи;

- подобрать телекоммуникационную технологию, в рамках которой будет работать магистральная система передачи;

- выбрать оборудование для среды передачи;

- Рассчитать уровни оптических каналов и коэффициенты усиления систем передачи;

Решение отмеченных выше задач позволяет достичь поставленной цели, а именно, реконструкцию участка сети с применением DWDM технологии

Актуальность темы выпускной работы может быть обоснована следующими фактами. Во-первых, материалы, опубликованные в учебниках носят разрозненный характер, и его систематизация и унификация является актуальной задачей. Во-вторых, как известно, предполагается развитие сетей следующего поколения. Таким образом, тема дипломного проекта, заключающаяся в разработке методики реконструкции магистральной ВОСП повышенной пропускной способности, является актуальной.

1 Обоснование необходимости реконструкции

1. Техническое обоснование реконструкции

Город Абакан столица республики Хакасия, город расположен на устье реки Енисей и располагается в 270 километрах (по прямой) от города Красноярск. По состоянию на 1 ноября 2016 года численность населения города составила - 181,2 тысячи человек. В городе Абакан развито тяжёлое машиностроение, действует опытно механический завод. Работает также сталелитейный завод. Имеется производство стройматериалов. В Абакане ведут деятельность 8 интернет провайдеров и 5 операторов сотовой связи сети

Город Красноярск центр Восточносибирского экономического района. Крупный транспортно-логический центр. Население города - 1 083 865 человек. Основные экономические отрасли - цветная металлургия, гидроэнергетика, космическая промышленность. Город расположен на обоих берегах Енисея на стыке западносибирской равнины и среднесибирского плоскогорья. В Красноярске ведут деятельность 5 операторов сотовой связи и 9 интернет провайдеров.

Основной причиной в улучшении магистральной сети является

- рост числа абонентских подключений;

- рост потребности в пропускной способности;

- предоставление новых услуг на сети.

Каждый год растёт потребление трафика на примерно на 40% поэтому необходимо устанавливать современное оборудование чтобы идти в ногу со временем и предоставлять новые возможности. В городе Красноярск имеются новейшее оборудование, которое отвечает сегодняшним требованиям по пропускной способности, а в городе Абакан оборудование устарело поскольку достигло своего предела из-за этого невозможно предоставить новые услуги связи поэтому необходимо провести реконструкцию для возможности предоставления современных услуг связи.

1.2 Новые услуги на сети

- скорость передачи данных для домашнего интернета до 200 Мбит/с;

- Предоставление интерактивного телевидения с качество HD и full HD;

- Предоставление высокоскоростного мобильного интернета;

1.3 Цели модернизации системы ПАО «Ростелеком»

Организация узлов DWDM вызвана ростом требований к производительности существующий узлов связи и оптимизации использования частотного ресурса DWDM. Организация новых узлов DWDM предполагается в рамках существующих основных узлов с использованием тёмных волокон или системы грубого спектрального уплотнения CWDM.

Улучшение существующей оптической линии обеспечит потребность абонентов в пропускной способности и увеличит количества используемых длин волн.

Данным проектом предусматривается модернизация сети и повышение пропускной способности на участке. Предлагаемым проектным решением предполагается оптимизация использования частотного ресурса системы.

1.4 Увеличение емкости существующих каналов

Модернизация существующих мультиплексоров ввода-вывода заменой или установкой новых транспондеров необходима в связи с проведённым анализом проектируемой нагрузки трафиком абонентов на 2017 год, в связи с чем требуется увеличение пропускной способностью отдельных направлений.

Общее количество абонентов широкополосного доступа на ПАО «Ростелеком» превышает 12,2 млн, а платного ТВ - более 9,2 млн пользователей. В городе Красноярском филиале абонентов составляет 160 тысяч абонентов, а в городе Абакан число абонентов составляет 30000 абонентов.

2 Описание технологии DWDM.

2.1 Общие сведенья технологии DWDM

Технология DWDM - уплотнения волнового мультиплексирования (Dense Wave Division Multiplexing) используется при создании оптических магистралей нового поколения, работающих на терабитных скоростях. Особенностью данной технологии является возможность передавать большие объемы информации с помощью разделения спектрального разделения каналов где каждый канал несёт собственную информацию.

Попытки использовать спектральное уплотнение началось довольно давно. Сперва попыткой объединения были диапазоны 850 и 1310 нанометров позже 1310 и 1550 нанометров при использовании этих диапазонов используют стандарты системы синхронной цифровой иерархии.

DWDM оборудование которое позволяет мультиплексировать в соответствии с рекомендацией МСЭ-Т G.692 разработаны только для третьего окна передач 1550 нанометров в соответствии с рекомендациями G.652, G.655, G.653. Определены две частотные границы в C диапазоне от 1528,77 (196,1 Терагерц) до 1560,61 нанометров (192,1 Терагерц) нанометров применяется 41 оптических каналов при ширине одного канала 100 ГГц или до 82 оптических каналов при его ширине 50 Гигагерц, а также возможен шаг в 200 и 400 Гигагерц, в этом случае максимальная емкость одного оптического канала составляет 9953,28 Мбит/с (уровень STM-64). В L диапазоне 1570-1605 нанометров максимальное число оптических каналов может достигать 160 при ширине канала 50 Гигагерц. Скорость каждого канала может достигать до 39813,12 Мбит/с (STM-256).

До технологии DWDM была технология волнового мультиплексирования WDM (Wave Division Multiplexing) в которой используется лишь четыре канала в окнах прозрачности 1310 нанометров и 1550 нанометров с интервалом шага от 400 до 800 Гигагерц. Мультиплексирование DWDM называется «уплотнённым» по причине того, что в нём используется меньшее расстояние между длинами волн чем в WDM.

Так же существует технология высоко уплотненного волнового мультиплексирования HDWDM (High Dense Wave Division Multiplexing) способная работать с частотным планом с шагом 25 Гигагерц.

Основной проблемой при создании сверхплотных систем DWDM является то, что со снижением длинны шага частот происходит наложение каналов друг на друга. В результате чего увеличивается количество ошибок и невозможность передачи данных, на рисунке 2.1 изображен пример наложения каналов.

Рисунок 2.1 Вид спектра волн для двух частотных планов

Также следует при применении оптического уплотнения по длинам волн в оптическом мультиплексоре случаются существенные оптические потери. Так, например, в системе передачи DWDM 32-x спектральных каналов OptiX BWS 320G фирмы Huawei Technologies потери оптического мультиплексора на канал составляют 9 децибел (на одной стороне). При учете потерь на обеих сторонах общая величина составит 18 децибел. Из-за таких потерь сокращаются возможность передачи на более дальние расстояния передачи, поэтому без применения оптических усилителей система не способна работать. Что бы уровнять оптические потери в оптическом мультиплексоре применяется волокно оптический усилитель мощности (BOOSTER). В случаи нехватки данной мощности применяется оптический усилитель на приёмном конце.

Технология DWDM наиболее распространена в соединённых штатах Америки так как там хорошо развит рынок волокно оптических систем. Так же используется в используется в других регионах мира таких как Европа и Азии. По мимо этого данная технология анализируется не только как средство с высокой пропускной способностью, но также как наиболее надёжная система, применяемая для мульти сервисных и мобильных сетей. Предоставляющая очень высокое повышение пропускной способности сети и предоставляющая новые услуги связи.

В настоящее время используются следующие частотные планы для различных разновидностей систем DWDM, CWDM, HDWDM, WDM. При использовании DWDM оборудование на 160 каналов одновременно использовать в диапазонах C и L появляются требования к оптическим кабелям, то есть характеристики затухания в данных диапазонах должны быть одинаковы. Поэтому необходимо использовать оптических кабель с симметричными характеристиками в С и L диапазонах. Так, для кабелей, соответствующих требованиям рекомендации G.652, разница затухания в указанных диапазонах может достигать 0,02 Децибел/километр, что в пересчете на один усилительный участок дает разницу до 2 дБ. В этом случае для расчетов расположения оборудования необходимо брать наибольшее затухание, что приводит к необходимости чаще устанавливать передающее оборудование и в конечном счете увеличит его цену. На рисунке 2.2 изображено распределение длин волн по диапазонам.

Рисунок 2.2 распределение длин волн по диапазонам.

Как DWDM, так и SDH–технологии применяются на использование телефонных сетей с коммутацией каналов, а также для применения IP.

Совместное применение оборудования SDH и DWDM и широко применяется на существующих сетях оборудования стандарта PDH что обеспечит гибкий переход к полностью IP–совместимым сетям. Данный способ развития полностью согласует требования, как в функциональности, так и к пропускной способности сетей.

Использование технологии DWDM используется для передачи больших объемов данных. С увеличением числа оптических каналов, использующихся в одном волокне, стоимость передачи информации снижается. Так, стоимость передачи одного бита информации по полностью загруженной 160-канальной системе меньше соответствующего показателя для 40/32-канальной системы. Однако при неполной загрузке важно учитывать тот факт, что цена оборудования для 40/32-канальной системы ниже цены 160-канальной системы.

На сегодняшний день операторы используют оборудование уровня STM-64 и рассматривают возможность использовать DWDM-технологии для построения магистральных и городских сетей. Современные городские транспортные сети должны поддерживать работу с неоднородным трафиком, в том числе с узкополосным трафиком на базе SDH-систем и широкополосным ATM- и Ethernet-трафиком. Технология DWDM позволяет объединить передачу разнородного трафика. Для этого каждому типу трафика выделяются свой оптический канал или своя длина волны. Можно утверждать, что технология DWDM становится экономически привлекательной при объеме трафика 40 Гбит/с и выше. Однако экономически эффективной она может быть и при объеме 10 Гбит/с.

Основными преимуществами сетей DWDM являются:

- высокие скорости передачи;

- высокая утилизация оптических волокон;

- возможность обеспечить защиту на основе кольцевой топологии;

- позволяет использование любых технологий канального уровня благодаря прозрачности каналов оптических волокон;

- возможность простого наращивания каналов в оптической магистрали.

Практический успех технологии DWDM во многом определил появление волоконно-оптических усилителей. Оптические устройства непосредственно усиливают световые сигналы в диапазоне 1550 нм, исключая необходимость промежуточного преобразования их в электрическую форму, как это делают регенераторы, применяемые в сетях SDH. Недостаток систем электрической регенерации сигналов в том, что они должны воспринимать определенный вид кодирования, что делает их весьма дорогими. Оптические усилители, «прозрачно» передающие информацию, позволяют наращивать скорость магистрали без необходимости модернизировать усилительные блоки. Протяженность участка между оптическими усилителями может достигать 150 км и более, что обеспечивает экономичность создаваемых магистралей DWDM, в которых длина мультиплексной секции составляет на сегодня 600-3000 км при применении от 1 до 7 промежуточных оптических усилителей.

В рекомендации ITU-T G.692 определено три типа усилительных участков, то есть участков между двумя соседними мультиплексорами DWDM:

- L (Long) - участок состоит максимум из 8 пролетов волоконно-оптических линий связи и 7 оптических усилителей, максимальное расстояние между усилителями - до 80 км при общей максимальной протяженности участка 640 км;

- V (Very long) - участок состоит максимум из 5 пролетов волоконно-оптических линий связи и 4 оптических усилителей, максимальное расстояние между усилителями - до 120 км при общей максимальной протяженности участка 600 км;

- U (Ultra long) - участок без промежуточных усилителей длиной до 160 км.

Ограничения на количество пассивных участков и их длину связаны с деградацией оптического сигнала при оптическом усилении. Хотя оптический усилитель восстанавливает мощность сигнала, он не полностью компенсирует эффект хроматической дисперсии (то есть распространения волн разной длины с разной скоростью, из-за чего сигнал на приемном конце волокна «размазывается») изображено на рисунке 2.2, а также другие нелинейные эффекты. Поэтому для построения более протяженных магистралей необходимо между усилительными участками устанавливать мультиплексоры DWDM, выполняющие регенерацию сигнала путем его преобразования в электрическую форму и обратно. Для уменьшения нелинейных эффектов в системах DWDM применяется также ограничение мощности сигнала.

Рисунок 2.2 Результат воздействия хроматической дисперсии

Существуют различные типовые топологии DWDM. Сверхдальняя двухточечная связь на основе терминальных мультиплексоров DWDM основанная на топологии синхронной цифровой иерархии «точка-точка». При организации данной магистрали устанавливаются на двух концах мультиплексоры DWDM, а в промежутках оптические усилители.

Рисунок 2.3Сверхдальняя двухточечная связь на основе терминальных мультиплексоров DWDM

Цепь DWDM с вводом-выводом в промежуточных узлах основанная на топологии синхронной цифровой иерархии по типу «Последовательная линейная цепь» Оптические мультиплексоры могут вывести из общего оптического сигнала вывести волну определенной длины и ввести сигнал аналогичной длины, при этом спектр сигнала не изменится, а в соединение будет выполнено подключение одним из абонентов, подключенных к промежуточному мультиплексору.

Рисунок 2.4 Цепь DWDM с вводом-выводом в промежуточных узлах

Кольцевая топология обеспечивает надёжность сети DWDM за счет резервных путей. Методы защиты трафика, применяемые в DWDM, аналогичны методам в синхронной цифровой иерархии. Для того чтобы какое-либо соединение было защищено, между его конечными точками устанавливаются два пути: основной и резервный. Мультиплексор конечной точки сравнивает два сигнала и выбирает сигнал лучшего качества.

Рисунок 2.5 Кольцевая топология мультиплексоров DWDM

Я чеистая топология применяться по мере развития сетей DWDM в них все чаще будет, которая обеспечивает лучшие показатели в плане гибкости, производительности и отказоустойчивости, чем остальные топологии. Однако для реализации ячеистой топологии необходимо наличие оптических кросс-коннекторов которые не только добавляют волны в общий транзитный сигнал и выводят их оттуда, как это делают мультиплексоры ввода-вывода, но и поддерживают произвольную коммутацию между оптическими сигналами, передаваемыми волнами разной длины.

Рисунок 2.6 Ячеистая топология DWDM

Оптические кросс-коннекторы применяются в сетях с ячеистой топологией для обеспечения гибких возможностей для изменения маршрута следования волновых соединений между абонентами сети. Такие возможности предоставляют оптические кросс-коннекторы, позволяющие направить любую из волн входного сигнала каждого порта в любой из выходных портов

Хроматическая дисперсия влияет на импульсы составляющие оптический сигнал в результате импульсы становятся шире по мере распространения по волокну, при передаче сигналов на большие расстояния импульсы могут накладываться на соседние, затрудняя точное их восстановление. С увеличением скорости передачи и длины оптического волокна влияние хроматической дисперсии возрастает. Для уменьшения влияния хроматической дисперсии на передаваемые сигналы, применяются компенсаторы дисперсии. На рисунке 2.7 изображена поляризационная модовая дисперсия.

Рисунок 2.7 Поляризационная модовая дисперсия

Поляризационная модовая дисперсия, возникает в оптическом волокне из-за разности скоростей распространения двух взаимно перпендикулярных поляризационных составляющих моды, что приводит к искажению формы передаваемых импульсов. Причиной этого явления является неоднородность геометрической формы оптического волокна. Влияние поляризационной модовой дисперсии на передаваемые оптические сигналы возрастает с увеличением скорости передачи, с увеличением числа каналов системы уплотнения и с увеличением длины волокна.

Вынужденное обратное рассеяние Мандельштама - Бриллюэна, суть этого явления заключается в создании оптическим сигналом периодических областей с переменным показателем преломления - своего рода виртуальную дифракционную решетку, проходя через которую сигналы распространяются подобно акустической волне. Отраженные этой виртуальной решеткой сигналы, складываются и усиливаются, образуя обратный оптический сигнал с доплеровским понижением частоты. Данное явление приводит к увеличению уровня шумов и препятствует распространению оптического сигнала, так как большая часть его мощности рассеивается в обратном направлении. Часто это явление ошибочно называют отраженной акустической волной.

Фазовая авто модуляция, при высоких уровнях мощности сигнала от лазера, может происходить модуляция сигналом собственной фазы. Эта модуляция расширяет спектр и уширяет или сжимает сигнал во времени в зависимости от знака хроматической дисперсии. В системах плотного спектрального уплотнения, сигнал с расширенным авто модуляцией спектром, может накладываться на сигналы соседних каналов. Фазовая авто модуляция увеличивается при возрастании мощности сигнала, при увеличении скорости передачи и при отрицательной хроматической дисперсии. Влияние фазовой авто модуляции уменьшается при нулевой или небольшой положительной хроматической дисперсии

Перекрестная фазовая модуляция, в результате этого явления сигнал одного канала модулирует фазы сигналов у соседних каналов. Факторы, влияющие на перекрестную фазовую модуляцию, совпадают с факторами, влияющими на фазовую авто модуляцию. Помимо этого, влияние перекрестной фазовой модуляции зависит от числа каналов в системе.

Четырех волновое смешение, проявляется при достижении порогового уровня мощности излучения лазера, в этом случае нелинейные характеристики волокна приводит к взаимодействию трех волн и появлению новой четвертой волны, которая может совпасть с частотой другого канала. Такое наложение частот приводит к увеличению уровня помех и затрудняет прием сигнала

Вносимый усилителем шум, причина этого явления - мощность усиленного спонтанного излучения, возникающая вследствие конструктивных особенностей усилителей. В процессе прохождения через усилитель, к полезной составляющей оптического сигнала добавляется шум, таким образом, уменьшается отношение "сигнал/шум", в результате сигнал может быть принят с ошибками. Это явление ограничивает количество усилителей в линии.