Специализированные ЦСП и ОСП / UP_VOSP_SR_Shishova_Shar__kopia
.pdf
Спектральный план DWDM системы рассчитывается после построения частотного плана на основе связи длины волны с частотой следующей зависимостью λ = с / f . Расчеты номинальных значений центральных длин волн оптических каналов выполняются с размерностью нм и точностью сотые доли нм, как это приводится в рекомендации G.694.1.
В системах CWDM отсутствует базовая длина спектральной сетки длин волн, и в интерфейсах определены значения центральных длин волн, которые зависят только от кода применения. Поэтому спектральный план системы CWDM полностью определяется кодом применения. Основные параметры некоторых кодов применения, которые могут использоваться в расчетах данных систем, приведены в Приложении 1.
2.2. Расчет длины оптических секций передачи
Расчет длины оптических секций передачи производится по критерию перекрываемого затухания Аосп, которое в промежуточных пунктах систем DWDM компенсируется усилением линейного усилителя ЛУ, т.е. Аосп чис-
ленно равно усилению |
ЛУ. Расчетная схема |
для нахождения длины произ- |
||||
вольной i-й оптической секции передачи Lосп i |
показана на рисунке 6. |
|||||
ОС-Рi |
ОС-Н |
|
ОС-Н |
|
|
ЛУi+1 |
|
|
|
ОС-Рi+1 |
|||
ОВ |
ОВ |
ОВ |
ОВ |
ОВ |
ОВ |
ОВ |
|
|
L |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
стр |
|
|
|
S |
|
|
L |
|
|
R |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
осп i |
|
|
|
Рисунок 6 - Схема оптической секции передачи
Под оптической секцией передачи (ОСП) в нормативных документах всегда понимается пассивный кабельный участок между опорными точками на передаче S и на приеме R. Точку S определяют как точку оптического волокна сразу за оптическим соединителем ОС-Рi на выходе ЛУi (входе i-й ОСП), а точку R как точку оптического волокна перед оптическим соединителем ОС-Рi+1 на входе ЛУi+1 (выходе i-й ОСП). На этом рисунке ОС-Рi и ОС-Рi+1 – оптические разъемные соединители, ОС-Н – оптические сварные неразъемные соединения.
Точка S соответствует точке нормирования Пд ', а точка R – точке нормирования Пр ' обобщенной схемы линейной сетевой структуры, приведенной ранее на рисунке 3.
20
Согласно схеме (рисунок 4) затухание оптической секции передачи
Аосп i = α·Lосп i + Ан ·( Lосп i / Lстр ), дБ ,
где Ан – затухание неразъемного соединения – ОС-Н, дБ; Lстр – строительная длина оптического кабеля, км; α – коэффициент затухания ОК, дБ/км.
Отсюда длина оптической секции передачи
Lосп i |
|
Аосп i |
, км . |
(11) |
||
АН |
/ Lстр |
|||||
|
|
|
|
|||
Для уменьшения числа оптических усилителей на регенерационной секции, с одной стороны, целесообразно использовать оптические секции передачи максимальной длины Lосп i макс, когда перекрываемое затухание максимально, т.е. Аосп i . С другой стороны, на таких ОСП, как будет показано далее, получается низкая помехозащищенность от шумов усиленной спонтанной эмиссии, вносимых оптическими усилителями. Следовательно, достижение требуемой результирующей помехозащищенности на регенерационной секции может привести к необходимости уменьшения количества ОСП и в целом к сокращению протяженности секции. Накопление шумов на регенерационной секции ограничивает её протяженность некоторой максимальной величиной, зависящей от допустимого значения помехозащищенности в оптических каналах.
Формулу (11) следует использовать и для расчета длины ОСП в системах
CWDM.
2.3. Расчет длины регенерационной секции
Расчет длины регенерационной секции проводится только для оптических систем связи со спектральным мультиплексированием, использующих технологии DWDM, в которых ретрансляция агрегатного сигнала с целью увеличения дальности связи осуществляется с помощью линейных усилителей.
При регенерации цифрового сигнала в транспондерах оптических каналов значение коэффициента ошибок не более 10-12 обеспечивается помехозащищенностью в точке нормирования ГПр (Пр ') равной 13 дБ. Для компенсации возможных дополнительных потерь, связанных с влиянием ухудшающих факторов, вводится запас в 5…7 дБ. Поэтому нормирование помехозащищенности осуществляется исходя из того, что вносимые на регенерационной секции шумы всех оптических усилителей не уменьшали её ниже 18 дБ.
На регенерационной секции необходимо учитывать снижение помехозащищённости сигнала от шумов усиленной спонтанной эмиссии всех оптических усилителей. При расчете результирующей помехозащищённости регене-
21
рационной секции для каждого оптического усилителя используем понятие приведенного ко входу уровня шума, формула (1). Это позволит учесть вносимые оптическими усилителями шумы, заменяя реальные шумящие усилители на идеальные (нешумящие), с приведенными к их входам уровнями шума.
Нахождение максимальной длины регенерационной секции, содержащей NОУ оптических усилителей, по результирующей помехозащищённости рассмотрим на основе внешней диаграммы уровней (ДУ), представляющей собой график зависимости р = f (L) , построенный для одного из оптических каналов системы. Упрощенный пример такой диаграммы уровней приведен в нижней части рисунка 7.
|
|
МУ |
ЛУ |
ОСПi |
ЛУi+1 |
|
ПУ |
||
О |
i |
|
|
|
|
|
О |
||
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
М |
|
|
|
|
|
|
Д |
||
р, дБм |
рпер |
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
Аосп i-1 |
|
Аосп i |
|
|
|
L, км |
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
Lосп i |
|
|
|
|
|
|
|
|
рпр i-1 |
|
|
рпр i |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
рпр ПУ |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
Аз МУ |
Аз i-1 |
|
|
Аз i |
|
Аз ПУ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
рш вх МУ |
рш вх i-1 |
|
|
рш вх i |
рш вх ПУ |
||
|
|
|
|
|
|
|
|||
Рисунок 7 - К расчёту помехозащищённости регенерационной секции
На рисунке показаны только фрагменты ДУ на промежуточной оптической секции передачи ОСПi между двумя линейными усилителями, а также её начало и конец. В верхней части рисунка показано расположение оптических усилителей МУ, ЛУ и ПУ вдоль регенерационной секции, количество которых на единицу больше числа ОСП. Обозначим количество оптических секций передачи NОСП . Тогда NОУ = NОСП + 1.
Так как линейный усилитель ЛУi+1 полностью компенсирует затухание i–й ОСП, то из показанной на рисунке диаграммы уровней следует, что затухание Аосп i численно равно усилению +1 = рпер − рпр . И так происходит на всех оптических секциях передачи. Уровни передачи оптических каналов
22
рпер на выходе всех усилителей, включая на передаче усилитель мощности (УМ), а на приеме предусилитель (ПУ), устанавливаются одинаковыми с максимумом различия уровней мощности в оптических каналах, не более 2 дБм [ 10 ]. Поэтому примем их здесь и далее везде одинаковыми.
При заданном уровне суммарной мощности агрегатного сигнала рсум с количеством каналов ок в точках нормирования ГПд (Пд ') уровень рпер в одном канале в этой же точке находится по формуле
рпер = рсум −10 lg ок , дБм . |
(12) |
Отметим, что на диаграмме уровней точка с уровнем приема рпр ПУ оптического канала соответствует входу ПУ, к выходу которого подключается оптический демультиплексор (ОД) и далее транспондеры с функцией 3R (рисунок 2). Так как ПУ, как и все другие оптические усилители, представляется здесь в виде идеального (нешумящего) усилителя с приведенным ко входу уровнем шума, то помехозащищённость на его входе в точке с уровнем рпр ПУ , соответствующей точке нормирования ГПр (Пр '), будет точно такой же, как и в точке на его выходе.
Как видно из рисунка 7, помехозащищённость Аз.i на i-й ОСП равна разности уровня сигнала на входе линейного оптического усилителя рпр.i и уровня шума, приведённого ко входу усилителя рш.вх i
Аз i = рпр i – рш вх i , дБ ,
где рпр i = рпер – А осп i , а рпер − уровень сигнала на выходе линейного ЛУi (уровень сигнала в точке S оптической секции передачи, см. рисунок 6).
Отсюда имеем: Аз i = рпер – А осп i – рш вх i .
Очевидно, что помехозащищенность с увеличением затухания ОСП снижается. Она также зависит от уровня приведённого ко входу усилителя шума и уровня сигнала на выходе оптических усилителей. Понятно, что уровень приведённого ко входу усилителя шума не может быть ниже уровня квантового шума. Что касается уровня передачи рпер , который находится по формуле (10), то здесь следует иметь в виду факт ограничения уровня суммарной мощности агрегатного сигнала нелинейными эффектами в ОВ [ 1; 5 ]. Поэтому на длинных ОСП получается низкая помехозащищенность, что ограничивает их применение в регенерационных секциях.
На выходе цепочки оптических усилителей, образующих вместе с оптическими секциями передачи регенерационную секцию, и с учетом принятых относительно самих усилителей условий можно полагать, что в точке с уров-
23
нем рпр ПУ помехозащищённость от шума ЛУ i-й оптической секции передачи не изменится и составит
Аз i = рпр ПУ – рш i ,
где рш i – уровень шума от ЛУ i-й ОСП в точке с уровнем рпр ПУ .
Следовательно, можно записать:
рпер – Аосп i – рш вх i = рпр ПУ – рш i .
Отсюда имеем рш i = рпр ПУ – рпер + А осп i + рш вх i = рпр ПУ – Аз.i , а мощность шума согласно формуле (7) в точке с уровнем рпр ПУ от ЛУ i-й ОСП
Рш.i = dec (0,1∙ рш i ) = dec (0,1∙ (рпр ПУ – Аз i )), мВт.
Шумы линейных усилителей на всех ОСП имеют независимый характер, в том числе и шум от МУ на входе первой ОСП и шум ПУ на выходе последней ОСП, поэтому их суммарная мощность будет равна сумме мощностей, т.е. составит:
|
|
N |
ОУ |
|
|
N |
ОУ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
P |
|
|
dec(0,1 p |
) |
|
dec(0,1 ( p |
А |
)) , |
||
ш |
|
шi |
|
пр ПУ |
з i |
|
||||
|
|
i 1 |
|
|
i 1 |
|
|
|
||
мВт.
(13)
Для оценки максимальной (предельной) протяженности регенерационной секции по помехозащищенности положим, что все ОСП и ОУ имеют одинаковые параметры, т.е. А осп i = Аосп и рш вх i = рш вх. В этом случае можно принять, что для всех ОУ Аз i = Аз 1 , где Аз 1 – помехозащищенность одного ОУ. Тогда можно записать
PшΣ =NОУ dec(0,1 (p пр ПУ Аз 1 )) , мВт .
Из формулы (4) следует, что уровень этой мощности
рш = 10lg NОУ + рпр ПУ –Аз 1 , дБм.
Результирующая помехозащищённость регенерационной секции в точке с уровнем сигнала рпр ПУ по определению составляет:
Аз ПУ = рпр ПУ – рш . |
(14) |
Отсюда имеем |
|
Аз ПУ = рпр ПУ – 10lg NОУ – рпр ПУ +Аз 1 = Аз1 –10lg NОУ . |
(15) |
24
Из (13) следует, что результирующая помехозащищенность по сравнению с помехозащищенностью от одного ОУ снижается на величину
Аз = 10lg NОУ. При этом она не зависит от уровня рпр ПУ .
Число оптических усилителей NОУ может быть только целым. Поэтому их максимальное число
N ОУ макс= [dec(0,1∙(Аз1 – Аз ПУ))],
где квадратные скобки здесь и далее в формулах означают округление до ближайшего целого числа в сторону уменьшения, что обеспечивает достижение результирующей помехозащищённости с запасом выше требуемой.
Так как Аз1 = рпер – Аосп – |
рш вх , то можно записать |
|
||||||||
N |
|
dec |
|
0,1 |
|
р |
А |
р |
A |
|
|
ОУ макс |
|
|
|
пер |
осп |
ш. вх |
з ПУ |
|
|
|
|
|
|
|||||||
.
Уровень шума рш вх, приведённого ко входу ОУ, определяется по формуле (6). В эту формулу входит уровень квантового шума, который в оптических системах связи со спектральным мультиплексированием принимают равным –
58 дБм [ 2; 6 ].
С учетом коэффициента шума можно записать
N |
|
dec |
|
0,1 |
|
р |
А |
58 nf |
|
ОУ макс |
|
|
пер |
осп |
|
||
|
|
|
|
Aз ПУ
.
(16)
Таким образом, при заданных параметрах оптического канала, ОСП, ОУ и требуемой помехозащищенности АзПУ по формуле (16) можно рассчитать максимальное количество N ОУ макс и определить максимальную протяженность регенерационной секции
Lрс макс = (N ОУ макс −1) ∙ Lуу , км. |
(17) |
Для обеспечения требуемой помехозащищенности длина регенерационных секций Lрс не должна превышать Lрс макс . В противном случае помехозащищенность будет меньше требуемой, что ухудшит качество передаваемой информации.
На практике для гарантированного энергообеспечения линейные усилители располагают в населённых пунктах. Поэтому реальные значения длины оптических секций передачи и, следовательно, их затухания различаются. Кроме того, могут отличаться шумовые параметры ОУ. В этом случае следует построить внешнюю диаграмму уровней и найти мощность накопленных на регенерационной секции шумов.
25
Расчет мощности накопленных шумов выполняют по формуле (13). Далее по формуле (4) находят уровень этих шумов и по формуле (14) определяют ожидаемую помехозащищенность, которую сравнивают с допустимой величиной и делают соответствующий вывод. Если рассчитанная помехозащищенность меньше допустимой, то необходимо установить в одном из населенных пунктов промежуточное оборудование, оснащенное транспондерами и оптическими мультиплексорами и демультиплексорами, сокращая тем самым протяженность регенерационной секции. Далее необходимо построить диаграмму уровней для укороченной регенерационной секции, выполнить все расчеты для этой секции и убедиться в удовлетворении требования по помехозащищенности.
После выполнения данных расчетов выполняется поверочный расчет дисперсии регенерационной секции, которая не должна превышать некоторой допустимой величины.
2.4. Расчет дисперсии регенерационной секции
Расчет дисперсии цифрового сигнала на регенерационной секции производится исходя из требований к обеспечению допустимых дисперсионных искажений. Следует отметить, что дисперсия в отличие от шумов оптических усилителей может быть полностью скомпенсирована. Однако дисперсию не следует компенсировать полностью по причине возникновения переходных помех в оптических каналах от нелинейного эффекта "четырёхволнового смешения" [ 1 ].
Для регенерационной секции систем с технологией DWDM5 расчет дисперсии выполняется в следующем порядке. По известной длине регенерационной секции Lрс определяется ожидаемая (накапливаемая) дисперсия, которая содержит две составляющих: хроматическую дисперсию (ХД) и поляризационную модовую дисперсию (ПМД). Формула по расчету ожидаемой дисперсии τож в общем случае имеет следующий вид:
|
|
L |
|
D |
( ) D |
L |
|
, пс |
|
|
|
|
|
|
0,5 |
|
|
|
ож |
|
рс |
хр |
пмд |
|
рс |
|
,
(18)
где Dхр (λ) – удельная хроматическая дисперсия оптического волокна на длине волны λ спектрального плана DWDM системы, пс/(нм·км); λ – результирующая ширина спектра оптического сигнала, распространяющегося по ОВ, нм; Dпмд – коэффициент поляризационной модовой дисперсии, пс/км 0,5 .
5 В системах с технологией СWDM дисперсия не рассчитывается, т.к. в них регенерационные секции отсутствуют.
26
Величина λ в (16) определяется по формуле
|
( |
) |
2 |
( |
|
) |
2 |
, нм , |
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
0,01 |
|
|
сигн |
|
|
(19)
где Δλ0,01 – ширина оптического спектра источника излучения по уровню 0,01 (или -20 дБ), нм; Δλсигн – ширина спектра модулирующего цифрового сигнала, которая
Δλсигн = (λ2/с)·(В/ξ), нм , |
(20) |
где λ – центральная длина волны модулируемого источника излучения, нм; В – скорость передачи, Гбит/с; с – скорость света в вакууме, которую здесь можно принять равной 2,9979·108 нм/нс; ξ – коэффициент, равный 1 для сигнала в коде NRZ и 0,5 для сигналов в коде RZ.
Следует отметить, что второе слагаемое в формуле (18), определяющее ПМД, учитывается только при скоростях передачи в оптических каналах 10 Гбит/с и более. Входящие в формулу величины Dхр (λ) и Dпмд определяются паспортными данными используемого оптического кабеля и типом ОВ, применяемом в нем. Типовые значения этих величин, а также коэффициенты затуханий ОВ приведены в Приложении 2.
Далее определяется допустимая дисперсия (уширение оптического импульса цифрового сигнала)
τдоп = 10 3 ·β / В, пс, |
(21) |
где β – коэффициент, зависящий от типа кода линейного цифрового сигнала (для кода NRZ β = 0,7 и β = 0,35 для кода RZ), В – скорость передачи, Гбит/с.
После этого ожидаемая вносимая дисперсия сравнивается с допустимой. Если выполняется условие τож ≤ τдоп , то компенсация дисперсии не требуется. В противном случае необходима компенсация дисперсии, которая может осуществляться различными методами. При этом, как уже отмечалось, полная компенсация не производится, а компенсируется только разность
Δτ = τож − τдоп .
В данном пособии вопрос коррекции не рассматривается, подробности коррекции хроматической и поляризационной модовой дисперсии представлены в [ 2; 4 и 5 ].
27
|
|
|
ПРИЛОЖЕНИЕ 1 |
|
ХАРАКТЕРИСТИКИ ИНТЕРФЕЙСОВ CWDM СИСТЕМ |
||||
Таблица 3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Характеристика6 |
|
Коды применения |
|
|
C4L1-1D2 |
C4L1-1D3 |
C4L1-1D5 |
||
|
||||
Максимальное |
|
|
|
|
количество кана- |
4 |
4 |
4 |
|
лов |
|
|
|
|
Максимальное |
19,5 |
20.5 |
20 |
|
затухание, дБ |
||||
|
|
|
||
Минимальное за- |
13 |
13 |
1311 |
|
тухание, дБ |
||||
|
|
|
||
Центральная |
1511 + 20 × m, |
1511 + 20 × m, |
1511 + 20 × m, |
|
длина волны, нм |
m = от 0 до 3 |
m = от 0 до 3 |
m = от 0 до 3 |
|
Таблица 4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Характеристика |
|
Коды применения |
|
|
C8S1-1D2 |
B-C8S1-1D2 |
C8L1-1D2 |
||
|
||||
Максимальное |
|
|
|
|
количество |
8 |
4+4 |
8 |
|
каналов |
|
|
|
|
Максимальное |
21 |
21 |
18 |
|
затухание, дБ |
||||
|
|
|
||
Минимальное |
12 |
12 |
12 |
|
затухание, дБ |
||||
|
|
|
||
Центральная |
1471 + 20 × m, |
1471+ 20 × m, |
1471+ 20 × m, |
|
длина волны, нм |
m = от 0 до 7 |
m = от 0 до 7 |
m = от 0 до 7 |
|
Таблица 5
Характеристика |
|
Коды применения |
|
||
B-C12L1-0D2 |
B-C12L1-1D2 |
||||
|
|||||
Максимальное |
6 + 6 |
6 + 6 |
|||
количество |
|
|
|
|
|
каналов |
|
|
|
|
|
Максимальное |
20 |
14,7 |
18 |
12,8 |
|
затухание, дБ |
|||||
|
|
|
|
||
Минимальное |
11 |
7 |
11 |
7 |
|
затухание, дБ |
|||||
|
|
|
|
||
Центральная |
1291 + 20 ×m, |
1471 + 20 × m, |
1291 + 20 × m, |
1471 + 20 × m, |
|
длина волны, нм |
m = от 0 до 3 |
m = от 0 до 7 |
m = от 0 до 3 |
m = от 0 до 7 |
|
6 Максимальное отклонение (девиация) центральной длины волны нормируется везде
6,5 нм.
28
ПРИЛОЖЕНИЕ 2 ПЕРЕДАТОЧНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ОДНОМОДОВЫХ
ОПТИЧЕСКИХ ВОЛОКОН
Рекомендация МСЭ – Т G.652
Таблица 6
Характеристика |
G.652.A |
G.652.B |
G.652.C |
G.652.D |
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
0,5 / 1310 |
0,4 / 1310 |
- |
0,4 / от 1310 |
|
|
до1625 |
||||
Коэффициент за- |
|
|
|
||
|
|
|
|
||
тухания, дБ/км; |
|
|
|
|
|
0,4 / 1550 |
0,35 / 1550 |
0,3 / 1550 |
0,3 / от1530 до |
||
|
|||||
/ длина волны, |
1565 |
||||
|
|
|
|||
|
|
|
|
||
нм; |
|
|
|
|
|
не более |
- |
0,4 / 1625 |
0,4 / от 1310 |
- |
|
|
|||||
|
до 1625 |
||||
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
Удельная хрома- |
|
|
|
|
|
тическая диспер- |
|
|
|
|
|
сия не более, |
|
|
|
|
|
пс/нм∙км |
|
|
|
|
|
в интервале длин |
|
|
|
|
|
волн: |
|
|
|
|
|
1285-1330 |
3,5 |
3,5 |
3,5 |
3,5 |
|
1525-1575 |
18 |
18 |
18 |
18 |
|
Максимальный |
|
|
|
|
|
коэффициент |
0,5 |
0,2 |
0,5 |
0,2 |
|
PMD, пс/км0,5 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Примечание 1. Для ОВ G.652.D в диапазоне 1460–1625 нм удельная хроматическая дисперсия D хр(λ) на длине волны λ определяется при помощи следующего неравенства:
8,625 + 0,052(λ – 1460) ≤ Dхр (λ) ≤ 12,472 + 0,068(λ – 1460).
Примечание 2. Предел удельной хроматической дисперсии для любой длины волны λ рассчитывается при минимальной длине волны нулевой дисперсии
λ0 min и максимальном коэффициенте наклона нулевой дисперсии S0 max в соответствии с неравенством
Dхр |
S0 max |
|
0 min 4 |
, |
||||
4 |
1 - |
|
|
|
||||
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
где λ0 min = 1300 нм и S0 max = 0,092 пс/(нм2 ∙км)
29