Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Алгоритмы работы когерентных транспондеров транспортных систем связи. Монография
.pdf
11
Монография посвящена состоянию вопроса когерентных оптических
приемников для каналов связи со скоростью более 100 Гбит/с. Рассмотрены
тенденции развития сетей связи, а также проанализировано текущее
состояние телекоммуникационного рынка России. Проведен обзор структуры
когерентного приемника для формата модуляции DP-QPSK, рассмотрены
основные этапы детектирования оптического сигнала и этапы по
компенсации накопленных шумов при прохождении сигнала по линиям
связи. Проанализированы основные помехоустойчивые коды, используемые
производителями DSP-процессов для волоконно-оптических систем передач.
Рассмотрены новейшие помехоустойчивые коды, применяемые для
интерфейсов межсоединений ЦОДов. Данная работа ограничивается
рассмотрением традиционной телекоммуникационной системы передач с
использованием когерентных оптических приемников. Алгоритмы по
повышению помехоустойчивости и методы когерентного приемника
рассматриваются в рамках волоконно-оптических систем связи со скоростью
от 100 Гбит/с.
12
1 Современное состояние оптических сетей связи
1.1. Эволюция транспортных сетей
Для общего понимания причин появления современных систем связи с
когерентным приемом необходимо провести небольшую ретроспективу.
Первые коммерческие систем связи с ВОЛС с середины 70-х годов XX века
работали в первом окне прозрачности (850 нм), где осуществлялась передача
с помощью простых светодиодов и GaAs-лазерных диодов [1].
Данные полупроводниковые модули осуществляли преобразование
электрических сигналов (будем считать электрические сигналы как обычную
NRZ последовательность бинарных символов) в оптическое излучение.
Такой метод преобразования получил название прямой модуляции
интенсивности IM/DD и начал быстро внедряться для строительства ВОЛП
[2, 3, 4, 5, 6].
За счет улучшения передаточных характеристик оптических волокон
(ОВ) увеличилась и дальность работы ВОСП. Наблюдался рост канальных
скоростей до 10 Гбит/с. Параллельно технологическому развитию
компонентной базы развивались протоколы передачи данных. На рубеже
2000-х годов на протяженных ВОЛС успешно использовалась технология
SDH, которая предоставляла простой и эффективный механизм
мультиплексирования большого количества трибутарных потоков.
Дальнейший рост скорости систем связи упирался в технологические
сложности, вызванные трудностью уверенного приема NRZ-сигналов, после
прохождения протяженной цепочки приемо-передающих пунктов. Также
сложностью развития IM/DD модуляции и передачи оптических сигналов с
помощью технологии DWDM стали помехи, вызванные нелинейностью
среды ОВ [7, 8]. Рост канальной скорости (выше 40 Гбит/с) требовал
нетривиальные ВОСП с использованием скважности RZ-сигналов (33%, 50%,
67%) и комбинированием секций оптических волокон различных типов
(G.652, 653 и др.).
Со стороны технологий мультиплексирования каналов также
наблюдалось изменение типов передаваемого трафика. Если изначально
ВОЛП были предназначены для передачи Е1 – Е3 потоков внутри SDH-
контейнера, то впоследствии возникла необходимость организации и
коммутации между собой пакетных сетей Ethernet [9, 10]. Предполагалось,
что NG-SDH позволит сохранить текущую структуру сети ТфоП операторов
и обеспечит реализацию SDH на уровне транспортной сети MAN. Но данный
вариант решения был лишь переходным, т.к. сети с пакетной технологией
13
передачи начали доминировать не только на уровне ШПД-сегмента и Metro-
сегмента, но и на уровне магистральных сетей операторов связи (рисунок
1.1).
трафик
Стоимость, $/1бит
Емк ость
Годы
2020
2010200019951970 1985
PDH
SDH
DWDM
100%
OTN
100GE40GE10GE2.5GE1GESTM-4Е1
IP трафик
NG SDH
Рисунок 1.1 – Затраты на стоимость канала
За меньше чем 10 лет оптические транспортные сети (OTN) получили
широкое распространение. Драйвером роста послужило наращивание
канальной скорости операторов связи, миграция устаревающих сетей
синхронной цифровой иерархии SDH/SONET или инкапсуляция нагрузки в
более высокоскоростные контейнеры унифицированной модели управления
и мультиплексирования OTN-сетей (рисунок 1.2).
Рисунок 1.2 – OTN-упаковщик
14
Такое решение позволяло операторам связи прозрачно упаковывать всю
клиентскую нагрузку в контейнер, сохраняя при этом структуру, служебную
информацию и информацию по синхронизации таким образом, что для OTNкадра не играл особого значения тип клиентского трафика, будь то цифровое
видео, Ethernet, Fiber Channel, STM-N или «серый» OTU. Реализации OTNсети являлась не просто очередной технологией упаковки трафика, а гибким
решением для оператора связи любого класса, так как OTN-кадр являлся
трансформируемой платформой для любых скоростей внутри сети.
При рассмотрении транспортных сетей необходимо отметить, что
технология OTN успешно применяется в составе транспортной сети DWDM,
где внутри спектральных каналов реализуется упаковка трибутарных
клиентских каналов в агрегатные потоки со скоростью 100 Гбит/с и выше.
Прозрачная структура кадра позволяет производить упаковку любого типа
трафика.
1.2 Принцип работы DWDM-систем
Принцип работы спектрального уплотнения состоит в одновременной
передаче по паре оптических волокон (одно волокно – передача, второе –
прием) независимых оптических каналов на различных длинах волн. Каждый
из таких каналов имеет отдельный приемник и передатчик, при этом
добавление или удаление нового канала на свободную длину волны в
существующую WDM-систему не затрагивает работу существующих
каналов.
Стоит отметить, что как бы не были независимы оптические каналы, в
виду нелинейности среды, между каналами существует нелинейной
взаимодействие, которое может ухудшить величину OSNR. Особенно это
заметно при совместной работе некогерентных 10 Гбит/с каналов с
когерентными 100/200/400 Гбит/с каналами в одном тракте передачи.
В этом случае, при включении новых каналов в DWDM-тракт, требуется
использовать специальные защитные интервалы, чтобы снизить влияние
переходных фазовых потерь (XPM) с некогерентных каналов на когерентные
(рисунок 1.3).
15
Рисунок 1.3 – Вставки защитных интервалов между
каналами 10 Гбит/с и 200 Гбит/с каналов
Технология плотного спектрального уплотнения позволила многократно
увеличить производительность ВОСП без наращивания количества
оптических волокон.
Принципиальная схема работы DWDM-системы представлена на
рисунке 1.4. Оптические сигналы излучаются на разных длинах волн и
объединяются в один световой пучок в мультиплексоре. После чего данное
излучение по необходимости усиливается на бустере и поступает в
оптическую линию. При больших расстояниях передачи на линии связи
могут размещаться оптические усилители, обеспечивающие рабочий
диапазон уровня оптической мощности полезного сигнала. На приемной
стороне сигнал усиливается на предусилителе и поступает на
демультиплексор, где из группового оптического сигнала выделяются
исходные компоненты с разными длинами волн, поступающими на
соответствующие приемные устройства.
Tx
Tx
Tx
Rx
Rx
Rx
EDFA EDFA EDFA
MUX DeMUX
Транспондеры
Транспондеры
λ
1
λ
1
λ
N
λ
1
λ
1
λ
N
Рисунок 1.4 – Принципиальная блок-схема DWDM-системы
Основной рабочий диапазон частот современных DWDM-систем
находится в области третьего окна прозрачности из-за низкого
16
километрического затухания. Область С-диапазона (1530 – 1565 нм) является
наиболее популярной, т.к. данная область совпадает с рабочим диапазоном
EDFA усилителей. Но уже в настоящее время проводятся исследования по
использованию L-диапазона (1565 – 1625 нм) совместно с C-диапазоном, а
также использованию расширенного C-диапазона Super C [11]. Для этих
целей разрабатываются специальные гибридные усилители, имеющие
расширенный диапазон усиления [12].
Кроме традиционных EDFA-усилителей, для увеличения дальности
работы DWDM-системы используются усилители Рамана, обеспечивающие
удаленную накачку, таким образом, существенно увеличивая дальность
работы. Сверхпротяженные пролеты в DWDM-системах могут быть
реализованы на EDFA-усилителях с удаленной накачкой (ROPA).
1.2.1 Помехи в WDM-системах
При распространении групповых оптических сигналов по оптическому
волокну возникают нелинейные эффекты, негативно влияющие на
передаточные характеристики каналов связи. В некоторых случаях
нелинейные эффекты могут ухудшать производительность DWDM-системы.
В других случаях нелинейные эффекты оказывают существенное влияние на
групповой тракт в целом и приводят к неработоспособности оптических
каналов.
По данной теме собрано большое количество исследований,
рассматривающих различные факторы появления и эволюции нелинейных
эффектов в оптическом волокне [7, 13, 14]. В большинстве источников
принята каноническая запись, классифицирующая все существующие
эффекты (рисунок 1.5).
Эффекты в оптическ ом волок не
Нелинейные эффек ты Линейные эффек ты
Эффекты Керра Эффекты рассения Затухание CD PMD PDL
SRS SBSВнутрик анальные Меж к анальные
SPM IXPM IFWM XPM FWM
Рисунок 1.5 – Классификация помех в оптическом волокне
Для описания всех эффектов, возникающих при распространении
2
2
12
2
22
нелинейность
затухание
дисперсия
A A i A
A i A A
z t T
2
2
0 1 0 2 0
1
( ) ( ) ( ) ...
2
1
2
2
2dc
D
d
оптических сигналов по волокнам описывается уравнением Шредингера, где
каждое слагаемое является составной частью групповых помех [13]:
(1.1)
где A – амплитуда поля;
– нелинейный коэффициент;
α – километрическое затухание оптического волокна, дБ/км;
– дисперсия групповых скоростей;
Обычно хроматическую дисперсию рассматривают в виде ряда Тейлора,
и в уравнении Шредингера она может быть представлена следующим
образом:
(1.2)
Такая форма удобна для оценки влияния дисперсии высоких порядков,
но для количественной оценки накопленной дисперсии используется
параметр, связывающий дисперсию групповых скоростей с длиной волны
излучения в оптическом волокне:
, пс/нм·км (1.3)
где λ – длина волны излучения, м
Затухание оптического сигнала в протяженных линиях связи является
неотъемлемым фактором, который заставлял производителей оптических
волокон улучшать технологию изготовления для обеспечения более низких
значений километрических затуханий в области третьего окна прозрачности.
Уже сейчас можно констатировать разительное отличие качества оптических
волокон стандарта G.652, изготовленного в начале 2000-х годов и
современного оптического волокна стандарта G.652B ULL. Наряду с
волокнами стандарта G.652 начинают применяться волокна типа G.654C/D/E,
особенностями которых является увеличенные диаметр сердцевины,
способствующий снижений нелинейных эффектов.
17
18
Авторами глубоко изучен вопрос по влиянию каждого эффекта,
связанного с нелинейность в оптических волокнах [13, 15]. Так как все
эффекты взаимосвязаны между собой, снижение влияния одного из видов
нелинейных помех может повлечь увеличение другого типа помех.
В процессе развития систем связи рассматривались различные методики
по снижению негативного влияния помех на WDM-сигнал, в том числе:
− использование разнотипных оптических волокон [16, 17];
− неравномерное распределение WDM-каналов;
− увеличение эффективного сечения сердцевины волокна
eff
A
[18];
− использование различных форматов модуляции [2, 19, 20, 21].
Современные скоростные DWDM-системы связи отличаются от
аналогичных систем начала 2000-х годов тем, что компенсация помех,
вызванных нелинейностью, осуществляется на аппаратном уровне, в блоке
цифровой обработки сигнала когерентного транспондера.
Так, электронная компенсация хроматической дисперсии позволяет
скомпенсировать до 75000 пс/нм·км, избавляя оптическую систему передач
от пассивных элементов сети – компенсаторов хроматической дисперсии.
Некоторые производители заявляют компенсацию хроматической дисперсии
в диапазоне 150000 – 250000 пс/нм·км – такие величины характерны для
подводных трансокеанских линий связи. Исключение пассивных
компонентов из тракта передачи позволяет увеличить оптический бюджет
мощности и дает возможность снизить уровень шума за счет снижения
коэффициент усиления EDFA-усилителей.
Если переосмыслить подход к классификации помех, указанный на
рисунке 1.5, то часть эффектов можно не учитывать из-за незначительно
вклада в деградацию OSNR DWDM-системы.
Наиболее существенным вкладом в качество когерентного сигнала
являются помехи, обусловленные перекрестной и самомодуляцией. Но при
этом также не стоит забывать, что характер и вклад помех зависит от
применяемого формата модуляции, скорости системы передач и
характеристик оптической линии. Так, внутриканальные взаимодействия
сильнее проявляются для систем связи со скоростью более 40 Гбит/с, в то
время как межканальные взаимодействия наиболее существенны для
скорости канала 10 Гбит/с.
19
Эффек ты в оптическ ом волок не
Нелинейные эффекты Линейны е эффекты
Эффек ты Керра Затухание
Внутрик анальные Меж к анальные
SPM IXPM IFWM XPM FWM
Рисунок 1.6 – Современная классификация помех
Хроматическая и поляризационно-модовая дисперсия успешно
компенсируется в DSP-процессоре транспондера. Нелинейность для
квадратурных сигналов также может быть устранена с помощью
компенсаторов, направленных на борьбу с паразитными фазовыми
модуляциями.
Сейчас рассмотрение помех в DWDM-тракте стоит рассматривать в
контексте межканального взаимодействия на действующих сетях оператора
при осуществлении частотного дизайна DWDM-плана. Это актуально при
учете взаимодействия некогерентных низкоскоростных 10 Гбит/с на
когерентные каналы 100-400 Гбит/с [22, 23]. Так как при сближении
некогерентных каналов, например к одному оптическому каналу со
скоростью 100 Гбит/с, происходит существенное возрастание BER,
приводящее к неработоспособности когерентного канала. В то время как на
работоспособность низкоскоростных каналов данное сближение никак не
влияет.
Основным механизмом такого влияния являются нелинейные помехи в
оптическом волокне, проявляемые в виде перекачки оптической мощности,
так как уровень мощности некогерентных оптических каналов на 3 – 5 дБ
выше уровня мощности когерентных каналов. Самым очевидным вариантом
снижения влияния является выравнивание мощности некогерентных каналов
в оптическом спектре, но данный шаг, в свою очередь, снижает уровень
OSNR. Еще одним из решений при разносе разнотипных оптических каналов
является использование неравномерности спектра EDFA-усилителей –
20
размещать некогерентные каналы в области с более высоким коэффициентом
усиления оптического усилителя.
В открытых источниках и рекомендациях МСЭ нет каких-то четких
правил по дальности разноса разнородных каналов, но, как правило,
некогерентные 10 Гбит/с каналы размещаются в коротковолновой области
оптического спектра C-диапазона, а когерентные 100 Гбит/с каналы – в
длинноволновой.
1.2.2 Критерии оценки работоспособности DWDM-системы
В литературе упоминается, что для IM/DD-приемников в DWDM-
системах со скоростью в канале 10 Гбит/с основными критериями оценки
качества работы являются Q-фактор, BER и OSNR [24]. При этом
накопленные ошибки в тракте передачи напрямую зависят от Q-фактора и
описываются следующим образом [25]:
1
2
2
Q
BER erfc
=
, (1.4)
Если представить визуально, то выражение (1.4) описывает
оптимальную величину BER для измеряемого оптического канала. При этом
OSNR косвенно коррелирует с BER и в случае снижения отношения сигналпомеха в канале будет являться предупреждением о потенциальном
ухудшении BER (рисунок 1.7).
BER
1
0
φ=2π φ=π φ=0
μ
1
μ
0
σ
1
σ
0
Рисунок 1.7 – Графическое описание значения коэффициента ошибок
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]