Добавил:

ivanov666 Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Башкирский Государственный Аграрный Университет

Предмет:

[НЕСОРТИРОВАННОЕ]

Файл:

Алгоритмы работы когерентных транспондеров транспортных систем связи. Монография

.pdf

Скачиваний:

Добавлен:

07.09.2026

Размер:

2 Мб

Скачать

☆

1 / 111 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 > Следующая >>>

Министерство цифрового развития, связи и массовых коммуникаций

Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего образования

«Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики»

(СибГУТИ)

Р. З. Ибрагимов

АЛГОРИТМЫ РАБОТЫ КОГЕРЕНТНЫХ ТРАНСПОНДЕРОВ

ТРАНСПОРТНЫХ СИСТЕМ СВЯЗИ

Монография

Новосибирск

2022

УДК 621.391.63:681.7.068

Рецензенты: док. техн. наук, доцент А.Б. Семенов;

док. техн. наук, профессор О.Г. Мелентьев

Ибрагимов, Р. З. Алгоритмы работы когерентных транспондеров

транспортных систем связи : монография / Р. З. Ибрагимов ; Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики, кафедра фотоники в телекоммуникациях. – Новосибирск, 2022. – 102 с.

В монографии рассмотрены основные вопросы, связанные с

архитектурой когерентных оптических транспондеров, используемых в современных транспортных сетях. Представлена актуальная структура когерентных транспондеров для систем связи со скоростью более 100 Гбит/с. Актуализированы используемые помехоустойчивые алгоритмы, применяемые в волоконно-оптических системах связи. Описанные методы обработки сигнала позволяют оценить количество этапов, необходимых для обеспечения приема когерентных сигналов. Монография предназначена для аспирантов, научных работников, специалистов, специализирующихся в области эксплуатации когерентных телекоммуникационных систем связи.

Оглавление

Список сокращений ................................................................................................ 5

Введение ................................................................................................................... 9

1 Современное состояние оптический сетей связи ........................................ 12

1.1. Эволюция транспортных сетей ............................................................... 12

1.2 Принцип работы DWDM-систем................................................................ 14

1.2.1 Помехи в WDM-системах ..................................................................... 16

1.2.2 Критерии оценки работоспособности DWDM-системы ................... 20

1.3 Центры обработки данных .......................................................................... 22

1.3.1 Основные определения .......................................................................... 22

1.3.2 Интерфейсы для ЦОД ............................................................................ 24

1.2. Телекоммуникационные производители ............................................... 26

1.2.1 Структура международного рынка ...................................................... 26

1.2.2 Структура рынка отечественных производителей ............................. 27

1.3. Рынок DSP-процессоров .......................................................................... 30

1.3.1 Общие термины ...................................................................................... 30

1.3.2 Поставщики DSP-процессоров ............................................................. 32

1.3.3 Российский рынок ЭКБ ......................................................................... 34

1.3.4 Разработка отечественного транспондера ........................................... 36

2 Архитектура когерентных систем ................................................................. 39

2.1 Структура когерентного транспондера ..................................................... 39

2.2 Когерентный оптический приемник .......................................................... 42

2.2 Оптоэлектронное преобразование ............................................................. 45

2.3 Компенсация дисперсионных искажений ................................................ 48

2.4 Компенсация поляризационно-модовой дисперсии................................. 54

2.5 Восстановление фазовых состояний сигнала............................................ 56

2.5.1. Методы повышения помехоустойчивости сигналов......................... 58

3 Помехоустойчивое кодирование ................................................................... 63

3.1. Классификация современных кодов для ВОСП 100 Гбит/с ................ 65

3.2. Реализация FEC в структуре OTN .......................................................... 70

3.3. Прикладная реализация FEC ................................................................... 72

3.4. Код с малой плотностью проверок на четность .................................... 73

3.4.1. Процедура кодирования LPDC ......................................................... 73

3.5. Лестничный код ........................................................................................ 77

3.5.1. Процедура кодирования .................................................................... 77

3.6. Конкатенированный FEC ......................................................................... 79

3.6.1. Структура кодера cFEC ..................................................................... 80

3.6.2. Процедура кодирования cFEC .......................................................... 82

3.7. Открытый FEC .......................................................................................... 83

3.7.1. Структура кодера oFEC ..................................................................... 84

3.7.2. Процедура кодирования oFEC .......................................................... 87

3.8. Перспектива помехоустойчивого кодирования .................................... 89

Заключение ............................................................................................................ 91

Список литературы ............................................................................................... 94

Список сокращений

ADC (Analog-to-Digital Converter) – аналого-цифровой преобразователь,

АЦП,

ASIC (Application-Specific Integrated Circuit) – специализированное

интегральное устройство,

AWG (Array wavelength grating) – решетка на основе массива

волноводов,

BCH (Bose-Chaudhuri-Hocquenghem) – циклический код Бозе-Чёдхури-

Хокуингехма, БЧХ,

BPSK (Binary Phase-Shift Keying) – двоичная фазовая манипуляция, CAGR (Compound Annual Growth Rate) – совокупный среднегодовой

темп роста,

CFP-ACO (coherent CFP optical pluggable modules Analog Coherent Optics)

– оптический модуль первого поколения без DSP-процессора,

CFP-DCO (coherent CFP optical pluggable modules Digital Coherent Optics)

– оптический модуль второго поколения с DSP-процессором,

CMA (Constant Modulus Algorithm) CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) – комплементарная

структура металл-оксид-полупроводник,

DAC (Digital-to-Analog Converter) – цифро-аналоговый преобразователь,

ЦАП,

DCI (Data Center Interconnection) – технология межсоединения ЦОД, DEMUX (Demultiplexer) – демультиплексор, DFB (Distributed Feedback laser) – лазер с распределенной обратной

связью,

DFE (Distributed Feedback Equalization) – эквалайзер, основанный на

работе блоков регулирования распределенной обратной связи,

DP-8QAM (Dual-Polarization 8 Quadrature Amplitude Modulation) –

восьмеричная квадратурная амплитудная манипуляция мультиплексированной поляризации,

DP-QPSK (Dual Polarization Quadrature phase-shift keying) – двойная

поляризация квадратурного манипулированного сигнала

DP-16QAM (Dual-Polarization 16 Quadrature Amplitude Modulation) – шестнадцатеричная квадратурная амплитудная манипуляция мультиплексированной поляризации,

DSP (digital signal processor) – цифровой сигнальный процессор,

DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing) – плотное спектральное уплотнение,

EFEC (Enhanced Forward Error Correction) – помехоустойчивые коды второго поколения,

FEC (Forward Error Correction) – технология помехоустойчивого кодирования, позволяющая исправлять ошибки путем упреждения на основе разработанных алгоритмов,

FGPA (Field Programmable Gate Array) – программируемая логическая интегральная схема,

FFE (Feed-Forward Equalizer) – эквалайзер, основанный на работе блоков регулирования с прямой связью,

HD-FEC – алгоритм декодирования, основанный на жестком принятии решения,

ICR (Integrated Coherent Receiver) – когерентный приемник,

ITLA (Integrated Tunable Laser Assembly) – перестраиваемая лазерная сборка,

LDPC (Low Density Parity-Check Code) – код с низкой проверкой на четность,

LDPC-CC (Low-Density Parity-Check Convolutional Codes) – сверточный код с низкой проверкой на четность,

LMS (Least Means Squares) – алгоритм по критерию наименьшего среднеквадратичного отклонения,

MAP (maximum a posteriori probability) – метод оценки с помощью апостериорного максимума,

MAN (metropolitan area network) – сеть масштаба города,

MIMO (Multiple Input Multiple Output) – технология, используемая в беспроводных системах связи,

MMI (MultiMode Interference) – многомодовый интерфейс,

MSA (Multi-Source Agreement) – соглашение между несколькими

производителями о создании продуктов, совместимых между поставщиками, устанавливающих конкурентный рынок для совместимых продуктов (оптические трансиверы SFP, QSFP, XFP, CFP и т.п.),

MVNO (Mobile Virtual Network Operator) – оператор мобильной виртуальной сети,

MZM (Mach-Zehnder Modulator) – модулятор Маха-Зендера,

NFV (Network Functions Virtualization) – технология виртуализации физических сетевых элементов телекоммуникационной сети,

OIF (Optical Internetworking Forum) – форум содействует разработке и внедрению совместимых сетевых решений и услуг,

QSFP (Quad Small Form-factor Pluggable) – стандарт модульных компактных сетевых трансиверов, применяющихся в высокоскоростных сетях передачи данных,

OSNR (Optical Signal-to-Noise Ratio) – оптическое отношение сигналшум,

OTN (Optical Transport Network) – оптическая транспортная сеть,

PBS (Polarizing Beam Splitter) – поляризационный сплиттер,

PD (PhotoDiode) – фотодиод,

PLL (Phase-Locked Loop) – фазовая автоподстройка частоты,

QC-LPDC (Quasi-Cyclic Low-Density Parity-Check Codes) –

квазицикличный код с низкой проверкой на четность,

QC-LDPC+SPC (Low-Density Parity-Check Simple Parity Check) –

квазицикличный сверточный код с низкой проверкой на четность и дополнительным внешним HD-FEC кодом,

RCP-QC-LDPC (Regular Column-Partition Low-Density Parity-Check

Convolutional Codes) – квазицикличный код с низкой проверкой на четность с

регулярным весом строк и столбцов,

RS-FEC – код Рида-Соломона,

SD-FEC (Soft Decision Forward Error Correction) – алгоритм декодирования, основанный на мягком принятии решения,

SDN (Software Defined Networking) – программно-конфигурируемые сети,

SDH (Synchronous Digital Hierarchy) – синхронная цифровая иерархия,

SOA (Semiconductor Optical Amplifier) – полупроводниковый оптический усилитель,

SPC (Simple Parity Check) – коды с простой проверкой на четность,

TEC (ThermoElectric Coolers) – термоэлектрическое охлаждение,

TIA (Transimpedance Amplifier) – трансимпедансный усилитель,

TPC (Turbo Product Codes) – блочный турбокод различной степени избыточности,

XPM (Cross-Phase Modulation) – межканальная фазовая кросс- модуляция,

WDM (Wavelength Division Multiplexing) – волновое мультиплек-

сирование по длинам волн,

ВОЛС – волоконно-оптические линии связи,

ВОЛП – волоконно-оптическая линия передач,

КАМ – квадратурная амплитудная модуляция,

КИХ – конечная импульсная характеристика,

МСЭ – международный союз электросвязи,

НПК – низкоплотный код,

ТОРП – телекоммуникационное оборудование отечественного производства,

ЭКБ – электронно-компонентная база.

Введение

Наиболее перспективным направлением развития волоконно-оптических систем в настоящий момент являются системы со спектральным уплотнением оптических каналов. Главное преимущество таких систем заключается в возможности передачи высокоскоростного трафика по паре оптических волокон на большие расстояния. Магистральная транспортная волоконно-оптическая система связи является неотъемлемой составляющей сети любой развитой страны, так как она является хорошим технологическим плацдармом для предоставления спектра телекоммуникационных услуг. Надежность опорной сети связи обеспечивается построением высокоскоростных кольцевых и mesh-топологий, автоматической перестройкой маршрутов в случае возникновения аварийной ситуации на волоконно-оптической линии связи. Технология гибкой оптической сети обеспечивает динамическое перераспределение ресурсов сети для реализации любого инфраструктурного проекта. Если до относительно недавнего времени основной целью магистральных систем связи являлась организация телефонных и телеграфных каналов, то уже сейчас достигнута высокая степень конвергенции телекоммуникационной сети связи, наиболее известным примером которой является модель TriplePlay, объединяющая в себе такие сервисы, как высокоскоростной интернет, телевидение (кабельное или IPTV) и телефонную связь.

Высокая утилизация оптических волокон позволяет максимально эффективно использовать операторам имеющиеся ресурсы, загружая трафиком свободные волокна или предоставляя их в аренду. При этом этап бурного экстенсивного развития волоконно-оптической инфраструктуры уже закончился, поэтому одним из основных направлений по увеличению пропускной способности является разработка новых алгоритмов, улучшающих помехоустойчивость каналов связи. Это связано с тем, что производители оптического волокна уже приблизились к технологическому пределу минимального значения затухания оптического волокна, обеспечивая затухание в диапазоне 0,16 – 0,19 дБ/км. С 70-х годов прошлого столетия технология изготовления волокна совершила внушительный прыжок, снизив уровень затухания в десяток раз, открыв для использования новые оптические диапазоны. Это стало возможным за счет улучшения технологии изготовления одномодовых оптических волокон, где удалось снизить влияние водяного пика, вызванного наличием гидроксильной группы в составе кремниевого волокна SiO2.

Поэтому текущие исследования в области телекоммуникаций направлены в сторону приближения к границе Шеннона за счет совершенствования алгоритмов кодирования, улучшения технологических процессов, а также использования новых материалов для изготовления полупроводниковых устройств.

Постоянное наращивание скорости в оптическом канале обуславливается развитием рынка ЦОДов, увеличением рынка интернетвещей, систем видеонаблюдения, виртуальных и удаленных офисов, разработкой инфраструктуры для сотовых сетей нового поколения, развитие виртуализации клиентских сервисов посредством SDN сетей. Новое направления виртуализации сервисов NFV позволяет разворачивать операторам связи в облаке клиентские сервисы без тотального перевооружения всей сети. Оперативный вывод новых услуг на рынок, запуск виртуальных операторов связи (MVNO), сокращение затрат на реализацию и поддержку услуг служат хорошим катализатором для переноса сервисов в облачную архитектуру ЦОДов. Виртуальные сервисы активно развиваются, затрагивая все сферы деятельности человека.

Канальная скорость постоянно наращивается – на магистральных сетях практически выполнен переход на каналы со скоростью 100 Гбит/с и ожидается дальнейшая модернизация до 200 Гбит/с и выше, на региональных сетях выполняются работы по переходу со скорости 10 Гбит/с на скорость 100 Гбит/с. Для систем связи с канальной скоростью от 100 Гбит/с и выше активно используется технология когерентного приема, позволяющая эффективно использовать выделенный спектральный диапазон за счет внедрения сложных форматов модуляции. По мере развития и повсеместного внедрения технологии когерентного приема стоимость съемных приемопередающих модулей снижается, позволяя некрупным операторам связи модернизировать свои транспортные сети без дополнительной перестройки текущей архитектуры сети, за счет замены старых или включения более скоростных приемо-передающих модулей.

Кроме развития опорных сетей, набирает популярность строительство центров обработки данных. Задача по обеспечению межсоединений таких центров, соединения между стойками или этажами появилась вместе с зарождением самих ЦОДов в виде технологий FiberChannel и Infiniband. В последнее время появились новые коммерческие решения для межцсоединений. Принято считать, что когерентные системы связи неразрывно связаны с крупными протяженными сетями операторов, но скоростные каналы можно применять и для коротких соединений, таких как соединение между ЦОДами.

1 / 111 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 > Следующая >>>

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]