Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Пакетно-оптические транспортные сети. Технологии оптических транспортных сетей. Ч. 2. Учебное пособие
.pdf
Рисунок 1.11 - Спектр DWDM сигнала, состоящего из терабитных
суперканалов, содержащих по 10 поднесущих в формате DP-QPSK:
а) — спектр одного суперканала; б) — спектр DWDM сигнала в рабочем
диапазоне спектра. Суперканалы разделены некоторой неиспользуемой
(защитной) спектральной полосой, необходимой при работе с оптическими
маршрутизаторами ROADM и WSS, которые маршрутизируют и переключают
их как единое целое
Поскольку наибольшей производительностью обладают системы связи
на основе формата DP-QPSK, то именно его целесообразно использовать в
сочетании с одной из технологий передачи информации на многих
поднесущих: OFDM, OWDM или Nyquist WDM. Суперканал — это
совокупность нескольких (порядка 10) очень плотно расположенных
оптических каналов, несущие частоты которых обычно называют оптическими
поднесущими. Предполагается, что суперканал при прохождении по
оптической сети будет управляться оптическими маршрутизаторами и
коммутаторами как единое целое и его суммарная скорость передачи
информации будет в терабитном диапазоне. Например, терабитный суперканал
может быть образован 10 поднесущими, каждая из которых передает сигнал со
скоростью 100G в формате DP-QPSK. Таким образом, эта технология будет
способна поддерживать будущий стандарт Terabit Ethernet [4; 5].
Исследованы характеристики передачи терабитного суперканала,
образованного 10 поднесущими (10x100 Гбит/с) DP-QPSK. При расстоянии по
частоте между поднесущими 27,5 ГГц дальность передачи по стандартному
волокну составила 2226 км, а при расстоянии 30 ГГц — 2600 км. Увеличение
канальной скорости при сохранении одной несущей наталкивается на проблему
резкого уменьшения дальности передачи без регенерации. Необходимость
22
строительства дополнительных усилительных пунктов приводит к удорожанию
систем связи.
Увеличение ёмкости систем связи удовлетворяется за счёт роста
канальной скорости передачи информации и спектральной эффективности
использования рабочих спектральных областей. Скорость передачи символов
ограничивается физическими факторами на уровне около 50 Гбод. Поэтому для
увеличения канальной скорости передачи информации до 100 Гбит/с, а тем
более до 400 Гбит/с, надо использовать многоуровневые форматы модуляции с
информационной ёмкостью более 2 бит/символ. Когерентные системы связи
позволяют реализовывать любые многоуровневые форматы модуляции,
обеспечивая увеличение скорости передачи информации в несколько раз в
зависимости от ёмкости формата. В частности, формат DP-QPSK, обладая
ёмкостью 4 бит/символ, обеспечивает спектральную эффективность 2 бит/Гц
при расстоянии между соседними каналами 50 ГГц и канальной скорости
100 Гбит/с. В лабораторных экспериментах спектральная эффективность
формата DP-QPSK доведена до 3–4. Это теоретически позволяет увеличить
общую ёмкость системы до 25 Тбит/с на одно волокно при использовании
полосы 8,4–6,25 ТГц (50–66,4 нм) соответственно.
Альтернативным решением увеличения производительности DWDMсистемы является использование многоуровневой nQAM модуляции и
соответствующее увеличение канальной скорости (200 и 400 Гбит/c). Однако
главный недостаток многоуровневой nQAM модуляции — уменьшение
дальности передачи из-за энергетического штрафа (таблица 1.1), уменьшение
расстояния между регенераторами и усилителями и необходимость замены
кабельной инфраструктуры оптических сетей операторов связи.
Таблица 1.1
Уменьшение энергетической эффективности (штраф по OSNR)
многоуровневых форматов модуляции относительно формата DP-DPSK.
Штраф равен 0 только для формата DP-QPSK
23
Как показано, даже при строительстве абсолютно новых сетей связи
решение на основе формата DP-QPSK является более экономически
эффективным, чем технические решения на основе nQAM модуляции. Из
таблицы 1.1 видно, что с увеличением числа символов расстояние между ними
в евклидовом пространстве быстро сокращается.
Таблица 1.2
Обзор вариантов увеличения пропускной способности DWDM-систем
на основе различных форматов модуляции
К сожалению, это приводит к значительному ухудшению энергетической
эффективности формата, т.е. возрастает чувствительность к шумам и
требуемый OSNR (таблица 1.2).
Среднее значение произведения спектральной эффективности на
дальность (назовем её производительностью PR) примерно равно
5000 км·бит/с/Гц для DP-nQAM форматов и 27000 км·бит/с/Гц для DP-QPSK.
Это неоспоримо свидетельствует о том, что производительность систем на
основе DP-QPSK более чем в пять раз выше, чем производительность систем на
основе DP-nQAM. Поэтому использование 100 Гбит/с DP-QPSK с плотной
спектральной сеткой (33,3 или 25 ГГц) является лучшим выбором для создания
систем связи с суммарной скоростью 25 Тбит/с. Поскольку при использовании
сетки 33,3 ГГц не требуется применение сложных алгоритмов
многосимвольной обработки (MAP или MLSE), то DWDM системы связи с
форматом модуляции 100 Гбит/с DP-QPSK, имеющие суммарную ёмкость
порядка 12–15 Тбит/с, могут быть реализованы на основе коммерчески
доступных компонент с использованием только С-диапазона. Дальность
безрегенерационной передачи информации с использованием форматов
модуляции nQAM c n, большим четырех, ограничена величиной порядка
500 км. Использование же регенерационных пунктов экономически
нецелесообразно. Таким образом, наиболее целесообразна разработка систем с
24
форматом модуляции DP-QPSK. Спектральная эффективность систем связи на
основе DP-QPSK может быть доведена до 3 бит/c/Гц и более. При такой
спектральной эффективности можно создать систему связи с суммарной
скоростью 25 Тбит/c, работающую в диапазоне 1540–1610 нм (C+L диапазоны).
1.5. Перспективные решения по увеличению пропускной способности
оптических волокон
Предполагается, что в ближайшие 20 лет емкость систем передачи
увеличится в тысячу раз и достигнет Петабит/c [9]. Это позволит внедрить
телевидение формата UltraHD, 3D и использовать приложения, требующие
сверхскоростных систем связи. Все это потребует создать новую оптическую
инфраструктуру для поколения Петабитовых скоростей. Стоит отметить, что
используемые одномодовые оптические волокна рекомендаций G.652, G.653,
G.655 [19, 20 и 21] на существующих волоконно-оптических системах передачи
с использованием современных форматов модуляции скоро достигнут
предельных для них показателей.
Это обусловлено ограниченностью широкополосности современных
оптических усилителей (ОУ) (EDFA, Рамановских и их комбинаций), а также
ограничениями, связанными с уровнем вводимой оптической мощности в
волокно. Так, при уровне оптической мощности в 1-2 Вт, вводимом в волокно,
наблюдается плавление сердцевины оптического волокна. Если же
используется волокно для компенсации хроматической дисперсии, то уровень
оптической мощности, при котором начинает плавиться сердцевина,
достигается уже при 0.5 Вт. Все это не позволяет увеличивать уровень
передаваемой оптической мощности в современных волоконно-оптических
системах передачи со спектральным разделением каналов (WDM). Особенно
эти ограничения влияют на подводные протяженные ВОСП, построенные на
таких волокнах.
Современные ОУ способны поднять уровень мощности оптического
излучения на 25-30 дБ на передаче. При этом стоит заметить, что уже при
уровне оптического излучения больше 17 дБ в оптическом волокне начинают
проявляться нелинейные эффекты (например, эффект Бриллюэна).
То есть, 17 дБ рекомендуется считать максимальным уровнем излучения
в современных оптических волокнах, что значительно сокращает длину
регенерационного участка. Использование предусилителей в волоконнооптических системах передачи на приеме позволяет получить до 14 дБ
выигрыша в бюджете мощности.
Рамановские усилители, которые усиливают оптический сигнал в волокне
распределенным образом, часто имеют мощность лазера накачки порядка
25
1.2-1.5 Вт. При этом длина волны накачки выбирается 1450 нм, излучение
накачки вводится с приемной стороны, то есть рассматривается рамановский
предусилитель. Однако имеются варианты использования рамановских
усилителей и на передаче. Все это дает основания сделать выводы о том, что во
многих случаях уже достигнут предельный уровень оптической мощности и
необходимо находить инновационные пути для передачи сигналов.
Таким образом, можно определить факторы, которые ограничивают
использование оптических волокон в современных ВОСП:
1) ограничения, обусловленные вводимой суммарной мощностью в
оптическое волокно;
2) ограничения полосы усиления современных ОУ;
3) ограничения по потребляемой мощности.
Более 20 лет назад были определены параметры оптических волокон,
являющихся основой современной оптической инфраструктуры. Тогда об
ограничениях на передаваемую мощность никто не задумывался.
Считается, что максимальная емкость современных оптических волокон
может быть не более 100 Тбит/c. Это почти в 1.5 раза больше существующей
емкости оптического волокна. Скорость передачи по оптическим волокнам
определяется в значительной степени полосой усиления современных
оптических усилителей. Они могут работать: 1) в S-диапазоне 1460-1530 нм
(70 нм-9.4 ТГц); 2) C-диапазоне 1530-1565 нм (35 нм -4.4 ТГц) и 3) L-диапазоне
1565-1626 нм (60 нм-7.1 ТГц). Полная полоса усиления 1460-1625 нм
(165 нм-20.9 ТГц). Сегодня максимальная емкость межматериковой подводной
системы передачи составляет около 10 Тбит/c (используется восемь пар
оптических волокон с 1.28 Тбит/c на волокно). Емкость системы 100 Тбит/c.
Наиболее ощутимы ограничения оптической мощности для
магистральных межматериковых подводных систем передачи. Для решения
этой проблемы необходимо создать новое поколение подводных кабельных
систем, в которых будет отсутствовать эффект плавления оптического волокна
при переходе на Петабитовые скорости. Важно отметить, что решения могут
быть осуществлены только при комплексном подходе. Так, следует создать
оптические волокна с большим диаметром модового поля (необходимо его
увеличить в два-три раза), либо использовать оптические волокна с
несколькими сердцевинами. Это позволит использовать модовое или
пространственное мультиплексирование соответственно [9]. Также следует
применять многоуровневые форматы модуляции, хорошо зарекомендовавшие
себя в одномодовых ВОСП.
Обобщив вышесказанное, можно заключить, что для преодоления
ограничений по мощности оптического излучения необходимо создать и
26
внедрить в производство оптические волокна с увеличенным диаметром
сердцевины, либо с большим количеством сердцевин под оболочкой. Чтобы
увеличить диаметр модового поля, следует создать оптическое волокно с
сердцевиной из чистого кварца и дипресировать оболочку фтором. Площадь
модового поля такого оптического волокна будет порядка 112 мкм2, то есть для
длины волны 1550 нм диаметр модового поля больше 10 мкм [9]. Если и
дальше увеличивать диаметр модового поля, то получим маломодовое
оптическое волокно (рисунок 1.12). Для подводных систем передачи может
использоваться маломодовый режим работы одномодового волокна с
площадью модового поля 160 мкм2 (длина волны 1550нм) [10].
Рисунок 1.12 - Режимы передачи по оптическому волокну:
а - одномодовый режим; в - трехмодовый режим; с - шестимодовый режим
Многие полагают, что использование многосердцевинных оптических
волокон позволит решить проблему повышения пропускной способности.
Существуют технологии изготовления оптических волокон с большим
количеством сердцевин (рисунок 1.13).
Рисунок 1.13 - Восемнадцатисердцевинное оптическое волокно
27
В настоящее время предпринимаются попытки по применению
технологий, сочетающих в себе решения с маломодовыми и
многосердцевинными оптическими волокнами. Так, летом 2014 года
международная рабочая группа High-Speed Optical Communications Group,
используя кабель японской компании Telekom NTT, установила новый рекорд
скорости в 43 Тбит/с. Использовался один лазер, который создавал сигнал в
многосердцевинном кабеле с семью сердцевинами. Через некоторое время
международная исследовательская команда из Нидерландов и США достигла
скорости передачи уже 255 Тбит/c. При этом применялись маломодовые
сердцевины, в каждой из которых передавалось 3 моды. Передавалось 50
оптических несущих с шагом сетки частот 50 ГГц. Для эффективного
экранирования сердцевин друг от друга использовались небольшие отверстия,
проделанные вокруг сердцевин (рисунок 1.14). Однако такой кабель способен
передавать сигнал только на расстояние до 1 км без искажений. Компании
Alcatel-Lucent совместно с British Telecom удалось при проведении полевых
испытаний уменьшить интервал между каналами с 50 до 35 ГГц. Таким
образом, рекордная скорость передачи данных уже в ближайшее время может
увеличиться с 255 Тбит/с до 365 Тбит/с.
Рисунок 1.14 - Многосердцевинное волокно с семью маломодовыми
сердцевинами
Важно отметить, что создание и разработка новых типов оптических
волокон требует создания элементной базы для таких ОВ. Волоконнооптические кабельные линии состоят не только из передатчиков сигнала,
кабеля и приемников сигнала, но и из большого числа элементов, необходимых
28
для функционирования ВОСП. Это и активные, и пассивные элементы.
Активные элементы: лазерные диоды, модуляторы, различные виды
фотоприемников, регенераторы, усилители (EDFA, рамановские и их
комбинации) и фотодиоды разного применения. Согласно рекомендации G.671
[22], к пассивным оптическим компонентам относятся: мультиплексоры и
демультиплексоры, включая WDM устройства:
— изоляторы;
— аттенюаторы;
— переключатели, коммутаторы;
— разветвители, ответвители, разделители (сплиттеры);
— коннекторы и другие соединители;
— адаптеры;
— пассивные компенсаторы дисперсии;
— оконцеватели для подавления отражений;
— волоконно-оптические циркуляторы;
— соединительные муфты;
— ремонтные вставки.
Для каждой конкретной ВОСП требуется определенное количество
тех или иных элементов. Высокую спектральную эффективность можно
получить, применяя когерентные методы приема и передачи, а также модовое
или пространственное мультиплексирование. Для широкого внедрения
Петабитовых скоростей следует создавать новые технологии, позволяющие
решить проблему ограничения полосы пропускания усилителей вводимой в
оптическое волокно мощности и потребляемой мощности, учитывая все
элементы ВОЛС (волоконно-оптической линии связи). Новые типы оптических
волокон позволят открыть эру Петабитовых скоростей уже в ближайшее время.
Контрольные вопросы
1. Поясните принцип работы когерентного приемника. В чем различие
между гомодинным и гетеродинным приемом?
2. Какие преимущества дает использование многоуровневых форматов
модуляции?
3. Каков максимально допустимый уровень оптического излучения на
выходе оптического усилителя? Объясните это ограничение.
4. Перечислите преимущества использования суперканала.
5. В чем заключается преимущество использования формата модуляции
DP-QPSK?
29
Глава 2
ВВЕДЕНИЕ В ОПТИЧЕСКИЕ ТРАНСПОРТНЫЕ СЕТИ OTN
2.1. Преимущества концепции OTN-OTH
Рисунок 2.1 - Передача трафика поверх сети SDH
При наличии существующей транспортной сети с технологией SDH
передача синхронных потоков STM-1/4/16/64 осуществляется достаточно
эффективно. Для передачи пакетного трафика Ethernet/IP может использоваться
последовательная конкатенация контейнеров, однако, при этом КПД
использования тракта составляет 20-60%. Для увеличения КПД применяются
специальные адаптерные платы ISA (Intergrarted Service Access), которые
используют виртуальную конкатенацию, LCAS, GFP и называются технологией
NGSDH [4; 5]. Эта технология обеспечивает КПД использования тракта
85-92%. Вместе с тем, когда превалирует пакетный трафик – его
целесообразнее передавать непосредственно по волокну, минуя сеть SDH,
загруженную большим объемом дополнительных заголовков (рисунок 2.1).
30
Рисунок 2.2 - Преимущества концепции OTN/OTH (Функционирование:
транспорт, мультиплексирование, маршрутизация; управление сетью и
услугами; наблюдение и жизнеспособность; Преимущества: FEC упреждающая
коррекция ошибок; больше уровней мониторинг тандемных соединений;
прозрачная транспортировка клиентских сигналов; переключаемое
масштабирование)
Оптическая транспортная сеть OTN (Optical Transport Network) на основе
технологии мультиплексирования оптической транспортной иерархии OTH
(рисунок 2.2) предназначена для построения транспортных магистралей с
пропускной способностью до десятков Тбит/с. Это достигается сочетанием
гибкого цифрового мультиплексирования стандартных циклических блоков, с
одной стороны, и гибким построением оптических каналов и их
мультиплексированием в управляемые оптические модули, с другой стороны.
Для реализации возможностей OTN-OTH Рекомендациями G.709 и G.798
МСЭ-Т предусмотрена иерархическая структура интерфейса.
31
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]