Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Пакетно-оптические транспортные сети. Технологии оптических транспортных сетей. Ч. 1. Учебное пособие
.pdf
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО СВЯЗИ
Ордена Трудового Красного Знамени федеральное государственное
бюджетное образовательное учреждение высшего образования
Московский технический университет связи и информатики
В.Ю. Деарт, Т.Д. Фатхулин
ПАКЕТНО-ОПТИЧЕСКИЕ ТРАНСПОРТНЫЕ СЕТИ
ТЕХНОЛОГИИ ОПТИЧЕСКИХ ТРАНСПОРТНЫХ СЕТЕЙ
ЧАСТЬ 1
Учебное пособие
для обучающихся в аспирантуре по направлениям:
11.06.01– Электроника, радиотехника и системы связи
и в магистратуре по направлению подготовки
11.04.02 – Инфокоммуникационные технологии и системы связи
Москва 2018
2
УДК 621.391.18
Деарт В.Ю., Фатхулин Т.Д. Пакетно-оптические транспортные сети.
Технологии оптических транспортных сетей. Ч. 1. Учебное пособие / МТУСИ.
– М., 2018. - 63 с.
В данном учебном пособии рассматриваются принципы построения и
функционирования современных оптических сетей. Подробно изложены
физические основы работы оптических волокон, а также проведен анализ
развития технологии спектрального уплотнения каналов.
Учебное пособие ориентировано на обучающихся в аспирантуре по
направлению подготовки 11.06.01 – Электроника, радиотехника и системы
связи и в магистратуре по направлению подготовки 11.04.02 – Инфокоммуникационные технологии и системы связи.
Ил. 54, табл. 2, список лит. 13 назв.
Издание утверждено Методическим советом университета в качестве
учебного пособия. Протокол № 4 от 16.05.17г.
Рецензенты: А.П. Пшеничников, к.т.н., профессор (МТУСИ)
Р.М. Шарафутдинов, к.т.н., доцент (МТУСИ)
А.С. Бодров, ст. преподаватель НП «Учебный центр
Алкатель – Лусент»
© Московский технический университет
связи и информатики, 2018
3
Развитие новых информационных технологий М2М (передача данных
между машинами), USN (Ubiquitous Sensor Networks – всепроникающие
сенсорные сети), IoT (Интернет вещей) формируют многократное увеличение
трафика в современных сетях связи NGN. В качестве ответа на
формирующуюся в обществе необходимость резкого увеличения пропускной
способности современных сетей связи происходит быстрое развитие
технологий современных транспортных сетей. Собственно путь
совершенствования транспортных сетей происходит в двух направлениях: с
одной стороны, совершенствуются технологии передачи оптических сигналов
по волокну, с другой, происходит слияние пакетных сетей с оптическими и
переход к транспортным программно-определяемым сетям T-SDN.
В соответствии с новой концепцией обучения в аспирантуре по
специальности 11.06.01 – «Электроника, радиотехника и системы связи» в
первый год в МТУСИ проводится обучение по нескольким базовым
дисциплинам, включая дисциплину «Построение сетей NGN». Данный курс
безусловно является актуальным для формирования специалистов высшей
квалификации по данной специальности, поскольку в условиях конвергенции
фиксированных и мобильных сетей связи знание сетевых технологий является
обязательным условием становления эксперта в области телекоммуникаций.
Вместе с тем, уровень начальных знаний по сетевым технологиям у аспирантов,
поступающих на первый курс с разных кафедр, резко отличается. Как правило,
аспиранты-радисты менее осведомлены в сетевых технологиях, чем
выпускники факультета «Сети и системы связи». Однако, как показывает опыт
преподавания этой дисциплины, и магистрам связных специальностей данная
дисциплина позволяет не только систематизировать ранее полученные знания,
но и познакомиться с новейшими сетевыми технологиями.
Исходя из трехлетнего опыта преподавания данной дисциплины в
МТУСИ, авторы убедились, что одним из наиболее трудно усваиваемых
разделов является часть дисциплины, связанная с технологиями пакетно-
оптических транспортных сетей. Именно этот факт побудил авторов написать
данное пособие, которое должно дополнить лекционный материал дисциплины
и, таким образом, повысить эффективность усвоения материала курса для
аспирантов, изучающих дисциплину «Построение сетей NGN» .
4
СОДЕРЖАНИЕ
Введение ...…………………………………………………………………………...6
Глава 1. Физические основы работы оптических волокон …...………………….7
1.1. Физические свойства оптических волокон ...…………………………………7
1.2. Типы оптических волокон …...………………………………………………...9
1.3. Окна прозрачности ……………………………………………………………11
1.4. Дисперсия и ее виды ...………………………………………………………..13
1.5. Решетка Брегга ...………………………………………………………………22
1.6. Оптические мультиплексоры/демультиплексоры …………………………..23
1.7. Оптические усилители, длина и количество усилительных участков …….24
1.8. Источники оптического излучения …………………………………………..33
1.9. Эффект Бриллюэна ……………………………………………………………36
1.10. Методы модуляции и демодуляции ………………………………………...38
1.11. Коды в линии ………………………………………………………………...46
1.12. Фотоприемники ……………………………………………………………..48
Контрольные вопросы ……………………………………………………………..49
Глава 2. Технологии спектрального уплотнения каналов в ВОСП …………….50
2.1. Развитие систем WDM ………………………………………………………..50
2.2. CWDM …………………………………………………………………………51
2.3. Гибридная модель частотного плана WDM …………………………………51
2.4. Стратегии расширения числа несущих в системах WDM ………………….52
2.5. Перспективный частотный канальный план ………………………………..54
2.6. Проблемы использования WDM ……………………………………………..55
2.7. Перспективы использования WDM ………………………………………….56
2.8. Особенности применения систем WDM в городских сетях ………………..57
2.9. Оборудование ………………………………………………………………….59
2.10. Архитектура и реализуемые сервисы ………………………………………59
Контрольные вопросы ……………………………………………………………..60
Список литературы ……………………………………………………………… 61
Список сокращений ………………………………………………………………..62
5
ВВЕДЕНИЕ
Все современные транспортные сети используют в качестве среды
передачи оптоволоконные кабели. Именно глубокое знание характеристик
оптических волокон и их влияние на передачу оптических сигналов
необходимо для понимания технологий построения современных транспортных
оптических сетей. Знание всех элементов оптических сетей: передатчиков,
приемников, усилителей и принципов их работы позволяет слушателям не
только разбираться в основах технологий оптических сетей, но и понимать
тренды их дальнейшего развития. Перечисленные вопросы построения ВОСП
(волоконно-оптических систем передачи) определяют содержание первой главы
первой части настоящего пособия.
Вторая глава посвящена технологии спектрального уплотнения каналов в
ВОСП. Представлены принципы построения технологии WDM и планы
распределения частотного диапазона. Проведена оценка перспектив развития
технологии WDM и ее реализация в оборудовании городских оптических
сетей.
Рассмотрение принципов когерентного приема оптических сигналов и
реализация многоскоростных транспондеров будет приведено во второй части
данного пособия. Также там приведены принципы построения оптических
транспортных сетей OTN. Анализ возможностей использования существующих
оптических транспортных сетей для построения T-SDN завершает вторую часть
пособия.
6
Глава 1
ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАБОТЫ ОПТИЧЕСКИХ ВОЛОКОН
1.1. Физические свойства оптических волокон
Оптическое волокно (ОВ) - это тонкая стеклянная нить, окруженная
пластиковым защитным покрытием. Нить оптоволокна состоит из двух частей:
сердцевины и оболочки (рисунок 1.1).
Рисунок 1.1 - Строение оптического волокна
Передача света по оптическому волокну основана на явлении полного
внутреннего отражения света от границы раздела – сердцевина-оболочка с
различными показателями преломления. Для реализации данного явления в
оптическом волокне показатель преломления сердцевины n1 всегда больше
показателя преломления оболочки n2. Следует отметить, что явление полного
внутреннего отражения наблюдается только в случае, если световой луч падает
под углом, равным или большим угла полного внутреннего отражения. Угол
полного внутреннего отражения, в свою очередь, – это угол между
падающим лучом и нормалью к поверхности в точке падения луча.
Пусть абсолютный показатель преломления первой среды больше, чем
абсолютный показатель преломления второй среды, то есть первая среда
оптически более плотная. Тогда, если направить луч света из оптически
более плотной среды в оптически менее плотную, то по мере увеличения
угла падения преломленный луч будет приближаться к границе раздела двух
сред (рисунок 1.2а), затем пойдет по границе раздела (рисунок 1.2б), а при
дальнейшем увеличении угла падения преломленный луч исчезнет, т.е.
падающий луч будет полностью отражаться от границы раздела двух сред
(рисунок 1.2в) [7]. Полное внутреннее отражение в оптическом волокне
представлено на рисунке 1.3.
7
Рисунок 1.2 - Полное внутреннее отражение
Рисунок 1.3 - Полное внутреннее отражение в оптическом волокне
Важным параметром, характеризующим волокно, является числовая
апертура NA (рисунок 1.4). Она связана с максимальным углом θA вводимого в
волокно излучения из свободного пространства n0, при котором свет
испытывает полное внутреннее отражение и распространяется по волокну
. (1.1)
Фирмы – изготовители волокна экспериментально измеряют угол θA
и указывают соответствующее значение числовой апертуры для каждого
поставляемого типа волокна. Для волокна со ступенчатым профилем легко
получить значение числовой апертуры, выраженное через показатели
преломления
. (1.2)
8
Для градиентного волокна используется понятие локальной числовой
апертуры
, (1.3)
значение которой максимально на оси и падает до 0 на границе сердцевины и
оболочки .
Рисунок 1.4 - Числовая апертура
1.2. Типы оптических волокон
Существуют два типа оптических волокон: многомодовые (ММ) и
одномодовые (SM), отличающиеся диаметрами световедущей сердцевины.
Многомодовое волокно, в свою очередь, бывает двух типов: со ступенчатым
и градиентным профилями показателя преломления по его сечению.
В многомодовом ступенчатом оптоволокне (рисунок 1.5) могут
возбуждаться и распространяться до тысячи мод с различным
распределением по сечению и длине оптоволокна. Моды имеют различные
оптические пути и, следовательно, различные времена распространения по
оптоволокну, что приводит к уширению импульса света по мере его
прохождения по оптоволокну. Это явление называется межмодовой
дисперсией, и оно непосредственно влияет на скорость передачи информации
по оптоволокну. Мода, проходящая наименьший путь, называется основной
модой или модой самого низкого порядка, а мода, проходящая самый длинный
путь, имеет название моды самого высокого порядка. Ступенчатое
многомодовое оптоволокно в соответствии со стандартами имеет диаметр
сердцевины 50 мкм и 62,5 мкм, диаметр оболочки 125 мкм. Область
применения ступенчатых оптоволокон - короткие (до 1 км) линии связи со
скоростями передачи информации до 100 Мбайт/с, рабочая длина волны
излучения, как правило, 0,85 мкм.
9
Рисунок 1.5 - Многомодовое ступенчатое оптическое волокно
Многомодовое оптическое волокно с градиентным показателем
преломления отличается от ступенчатого тем, что показатель преломления
изменяется в нём плавно от середины к краю (рисунок 1.6). В результате моды
идут плавно, межмодовая дисперсия меньше. Градиентное оптоволокно в
соответствии со стандартами имеет диаметр сердцевины 50 мкм и 62,5 мкм,
диаметр оболочки 125 мкм. Оно применяется во внутриобъектовых линиях
длиной до 5 км со скоростями передачи до 100 Мбайт/c на длинах волн
0,85 мкм и 1,35 мкм.
Рисунок 1.6 - Многомодовое оптическое волокно с градиентным показателем
преломления
Стандартное одномодовое оптическое волокно (рисунок 1.7) имеет
диаметр сердцевины 8-10 мкм и диаметр оболочки 125 мкм. В этом
оптоволокне существует и распространяется только одна мода, поэтому в
нем отсутствует межмодовая дисперсия, что позволяет передавать сигналы
на расстояние до 50 км со скоростью до 2,5 Гбит/с и выше без регенерации.
10
Рисунок 1.7 - Одномодовое оптическое волокно
1.3. Окна прозрачности
Для передачи оптических сигналов может быть использован широкий
участок спектра, где потери в волокнах достаточно малы. Его принято
разбивать на более мелкие участки – рабочие диапазоны или окна
прозрачности. Первоначально под окнами прозрачности понимали участки
длин волн вблизи узких локальных минимумов в зависимости потерь от
длины волны: (рисунок 1.8) 850 нм, 1310 нм, 1550 нм.
Рисунок 1.8 - Окна прозрачности
11
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]