оптические тк системы. Контрольная работа по дисциплине оптические цифровые телекоммуникационные системы Шифр 224983 Выполнил ст гр. Ткз15 (группа)
 Скачать 87.29 Kb.
|
|
| Введение…………………………………………………….……………… 1 Причины появления технологии WDM………………………………… | 3 4 |
| 2 Модель взаимодействия транспортных технологий…………………... | 6 |
| 3 Схемы реализации мультиплексоров WDM…………………………… | 8 |
| 4 Узкополосные и широкополосные WDM…………………………...…. | 11 |
| Список использованных источников……………………………………... | 18 |
| | |
ВВЕДЕНИЕ
Мультиплексирование с разделением по длине волны (Wavelength Division Multiplexing, WDM), называемое также волновым мультиплексированием или спектральным уплотнением, напоминает хорошо известное мультиплексирование с частотным разделением каналов, но только выполняемое в оптической среде передачи. Развитием этой технологии стало "плотное" WDM (dense WDM, DWDM).
Технология WDM была предложена в 1980 г. Дж. П. Лауде (компания Instruments SA) и сначала её применение ограничивалось сферой междугородной телефонной связи и телевещания. Перспективы её распространения стали более радужными после кардинального изменения ситуации на американском рынке телекоммуникационных услуг связи (в середине 90-х гг.). Прежде линии связи использовались главным образом для транспортировки голоса, теперь же значительную часть передаваемого по ним трафика составляют данные, объем которых растет опережающими темпами (годовой прирост речевого трафика - 8%, а трафика данных - 35%). Особенно быстро, на 80-100% в год, увеличивается объем трафика Internet, причем этот процесс приобрел труднопрогнозируемый характер.
В 1996 г. компания Trans-Formation (она специализируется на анализе рынка оборудования, предназначенного для передачи данных) представила доклад, согласно которому в 2000 г. объем американского рынка WDM-устройств должен был достичь 330 млн. долл. Однако сотрудники Trans-Formation просчитались: уже в 1997 г. объем продаж систем данного типа превысил 1 млрд. долларов! К концу того же года технология DWDM нашла применение во всех основных сетях дальней связи США.
1 Причины появления технологии WDM
Рост объема передаваемых данных постепенно привел к исчерпанию пропускной способности существующего оптического волокна, со всей остротой поставив вопрос ее увеличения. Его можно решить тремя способами: проложив новый кабель, перейдя к более производительной аппаратуре временного мультиплексирования или применив WDM.
Недостатки первого сценария очевидны. Реализация второго варианта в сетях дальней связи SONET/SDH тоже связана с рядом трудностей. До недавнего времени в таких сетях самым быстрым был канал OC-48/STM-16 (скорость передачи 2,4 Гбит/с). Затем началось внедрение аппаратуры уровня OC-192/STM-64, обеспечивающей производительность 10 Гбит/с, однако проложенное волокно изначально не было рассчитано на столь высокие скорости передачи.
Во-первых, при таких скоростях существенную роль начинают играть отражения сигнала от мест соединения кабелей и поляризационная модовая дисперсия, вызванная отклонением поперечного сечения волокна от круговой формы. Для компенсации дисперсии прокладываются отрезки волоконно-оптического кабеля с дисперсией противоположного знака. Во-вторых, с ростом скорости передачи усиливается затухание (рассеяние) светового потока и ухудшается чувствительность фотоприемника, т. е. увеличивается минимальная мощность входного сигнала, при которой частота появления ошибок (BER) соответствует определенному пределу. Чтобы обеспечить достаточную мощность принимаемого сигнала, приходится устанавливать дополнительные усилители и регенераторы.
Таким образом, планируя переход к канальным скоростям 10 Гбит/с и более, необходимо проанализировать ограничения, обусловленные искажениями сигнала в волокне и техническими возможностями аппаратуры. Многие специалисты сомневаются в том, что в ближайшие годы временное мультиплексирование (например, SONET/SDH) сможет на практике превзойти уровень 10 Гбит/с.
Теперь рассмотрим третий вариант - технологию WDM, позволяющую заметно повысить эффективность использования суммарной пропускной способности оптического волокна.
Рисунок 1 - Рабочие диапазоны оптического волокна.
Напомним, что обычное оптическое волокно имеет три окна прозрачности в инфракрасной области; их центральные длины волн равны 850, 1300 и 1550 нм. Для передачи на большие расстояния используются только диапазоны 1300 и 1550 нм, характеризующиеся минимальным затуханием сигналов (рис. 1). Ширина каждого из этих двух диапазонов составляет 200 нм, что в сумме приблизительно эквивалентно частотному интервалу в 60 ТГц. При оценке пропускной способности волоконно-оптического канала обычно принимают, что на каждые 1 Гбит/с требуется 2 ГГц полосы пропускания. При таком подходе 60 ТГц становятся эквивалентными пропускной способности 30 Тбит/с, однако не учитываются ограничения приемо-передающей аппаратуры, которая формирует канал передачи данных. Если, например, время срабатывания фотоприемника равно 1 нс, то скорость передачи трафика по каналу не превысит 1 Гбит/с, какой бы широкой ни была полоса пропускания волокна. Пропускная способность канала определяется такими характеристиками приемо-передающих устройств, как максимально достижимая скорость модуляции передатчика и способность фотоприемника быстро и точно распознавать биты данных. Сегодня скорость передачи по каналу дальней связи, на которую может рассчитывать пользователь, составляет около 2,4 Гбит/с, а в отдельных случаях - 10 Гбит/с. Это означает, что из 60 ТГц потенциальной полосы пропускания канала на практике используется не более 20 ГГц. Если же разделить общую полосу пропускания на множество частотных каналов, скорость передачи каждого из которых сохранится на прежнем уровне, то объем данных, передаваемых по волокну в единицу времени, увеличится. Именно этот подход реализован в технологии WDM.
2 Модель взаимодействия транспортных технологий
Формально для систем WDM не важно, какие методы кодирования и формирования конкретного цифрового сигнала использовались. Хотя, как правило, в этих системах и передается однотипный трафик, это диктуется используемыми методами синхронизации и единообразием процесса обработки. В отличие от систем SDH транспортируемый сигнал не упаковывается в контейнеры и не подвергается обработке в соответствии со структурой мультиплексирования SDH для формирования транспортного модуля STM-N, который только и может быть передан через физический уровень в канал связи (среду передачи). Если упрощенно представить многоуровневую модель взаимодействия основных технологий SDH/SONET, ATM, IP (без учета возможности переноса IP через ATM), осуществляющих транспортировку сигнала в глобальных цифровых сетях, и WDM, то до появления последней она имела вид, представленный на рис. 2а). Модель состояла из трех уровней и оптической среды передачи и показывала, что для транспортировки трафика верхнего уровня (ATM и IP) по оптической среде передачи он должен быть размещен (инкапсулирован) в транспортные модули STM-N/OC-n технологий SDH/SONET, способные, используя физический интерфейс этих технологий, пройти через физический уровень в оптическую среду передачи. Отсюда была ясна необходимость создания технологий инкапсуляции ячеек АТМ, например, в виртуальные контейнеры SDH (ATM over SDH), или пакетов IP в виртуальные трибы SONET (IP over SONET). Этим и занимались соответствующие подкомитеты по стандартизации в таких институтах, как ANSI, ISO, ITU-T и ETSI, разрабатывая стандарты на указанные технологии.
Рисунок 2 - Модель взаимодействия основных транспортных технологий:
а) до внедрения технологии WDM, б) после внедрения технологии WDM
После появления систем WDM модель принимает вид, представленный на рис. 2б). Теперь модель имеет четыре уровня, не считая оптической среды передачи. Появился промежуточный уровень WDM, который, как и SDH/SONET, обеспечивает физический интерфейс, позволяющий через физический уровень выйти в оптическую среду передачи не только технологии SDH/SONET, но и технологиям ATM и IP. В последнем случае не требуется инкапсуляции ячеек ATM или пакетов IP в промежуточный транспортный модуль технологий SDH/SONET, что не только упрощает процедуру обработки и транспортировки трафика, генерируемого системами ATM и IP, но и существенно уменьшает общую длину заголовков (которые пристыковываются по мере прохождения с верхнего уровня на нижний), повышая процент, занимаемый информационной составляющей трафика, в общей длине передаваемого сообщения, а значит, и эффективность передачи в целом. Естественно, что ATM и IP трафик может быть передан и по традиционной схеме с использованием SDH/SONET, трафик которых может быть также передан с помощью систем WDM, что сохраняет преемственность старых схем транспортировки и увеличивает гибкость композитных систем WDM-SDH/SONET в целом.
3 Схемы реализации мультиплексоров WDM
Первые мультиплексоры класса WDM, как известно, использовались для мультиплексирования двух несущих: 1310 нм и 1550 нм, расстояние между которыми 240 нм было настолько большим, что при реализации не требовало специальных фильтров для их разделения. Дальнейшие усилия, направленные на улучшение селективности (уменьшение разноса каналов) при использовании традиционной дискретной оптики не давали результатов лучше, чем следующие:
- разнос каналов – 20-30 нм,
- переходное затухание между каналами – 20 дБ,
- уровень вносимых потерь – 2-4 дБ.
Это позволило формировать не более 4 каналов во 2-м окне прозрачности в 1987-90 годах. В 1996-1998 годах произошел существенный прорыв в технологии мультиплексирования, обусловленный, с одной стороны, переходом к интегральным оптическим технологиям, с другой – миниатюризацией и улучшением качества изготовления элементов традиционной дискретной оптики. В настоящее время используются три конкурирующие технологии выделения каналов (демультиплексирования). Две из них на основе интегральной оптики: одна использует выделение несущих на основе дифракционной решетки на массиве волноводов – AWG (Arrayed Waveguide Grating) и вторая на основе вогнутой дифракционной решетки – CG (Concave Grating). В третьей технологии применяется традиционная миниатюрная (на новом уровне технологии) дискретная оптика, использующая выделение каналов на основе технологии трехмерного оптического мультиплексирования – 3DO (3-D Optics WDM). В основе первой из них (см. рис. 3а)) – планарный оптический многопортовый разветвитель в форме таблетки с портом входа l0 и группой выходных портов ll0, l 20, ... ln0, расположенной симметрично относительно l0на периферии волновода слева, и группой внутренних портов ll0, l 20, ... ln0 расположенной симметрично группе выходных портов на периферии справа. Внутренние выходные порты соединены через массив световодов (играющий роль дифракционной решетки, благодаря фиксированной разнице длин каждого световода, кратной D l) с плоским отражающим зеркалом. Входной поток l0 = S li (i=1,2, ... n) подается в оптический волновод и распределяется по всем внутренним портам, откуда он распространяется по массиву световодов (с разным фазовым запаздыванием) до зеркала, отражается и подается со стороны внутренних выходных портов в тот же волновод, где происходит интерференция входной и отраженных волн. Указанное устройство напоминает, по сути, интерференционный волновой фильтр на дифракционной решетке или многомерный вариант MZI. Размеры и форма планарного разветвителя, решетки световодов, а также расположение выходных портов, выбираются так, чтобы интерференционные максимумы освещенности располагались в районе выходных портов и соответствовали группе несущих l10, l20, ... ln0.
Рисунок 3 - Схема мультиплексирования WDM на основе дифракционной решетки на массиве волноводов:
а) с одним разветвителем и отражающим зеркалом, б) с входным и выходным разветвителями.
Порт входа и выходные порты могут быть разнесены, если использовать два планарных волновода (входной и выходной разветвители), как это показано на рис. 3б).Третья технология также использует классическую схему с плоской отражательной дифракционной решеткой (1), вогнутым зеркалом (2) и массивом волокон (3) (см. рис. 3.1), размещенных в пазах решетки с фиксированным шагом. Схема работы (в режиме демультиплексора) проста: мультиплексированный поток из входного волокна (А), расходясь конусом с углом, (отражается от зеркала и падает на дифракционную решетку, отражающую под разными углами свет разной длины волны. Эти дифрагированные лучи, отражаясь от зеркала, фокусируются в определенных точках, где и должны быть расположены приемные порты массива волокон, выделяющих соответствующие несущие. Для примера показано выделение одного такого канала, конус лучей которого (с тем же углом () фокусируется в точке В (порте выходного волокна).
Рисунок 3.1 - Схема WDM на основе трехмерного оптического мультиплексирования
Все элементы конструкции строго фиксированы в стеклянном блоке (4), что позволяет выдержать и сохранять высокую точность изготовления. Указанная конструкция может быть использована как с параболическим, так и сферическим зеркалами, имеет коэффициент увеличения равный 1. Она афокальна (т.е. не имеет фокуса), так что все исходящие и входящие в волокна углы одинаковы. ОМ волокна укладываются в канавки специальной решетки. Конструкция позволяет использовать до 131 канала с шагом 1 нм или до 262 каналов с шагом 0,5 нм. Во всех указанных решениях процедура мультиплексирования предполагается обратной по отношению к рассмотренной процедуре демультиплексирования. Параметры мультиплексоров WDM, реализованных на основе указанных технологий, сведены в таблицу, приведенную ниже.
Таблица 1 - Сравнение различных технологий оптического мультиплексирования
|
Из таблицы 1 видно, что технология 3-D Optics WDM имеет преимущество по четырем из пяти параметров и может быть использована в системах WDM до уровня HDWDM с разносом каналов не меньше 0,4 нм.
4 Узкополосные и широкополосные WDM
Волновое мультиплексирование практически используется уже более 10 лет и первоначально было направлено на объединение двух основных несущих 1310 нм и 1550 нм (2-го и 3-го окон прозрачности) в одном оптоволокне, что позволяло удвоить емкость системы и было оправдано всей историей развития ВОЛС. Многие стандартные системы SDH предлагают это сейчас, как один из вариантов конфигурации. Ряд исследователей называет такие системы широкополосными WDM (разнос по длине волны – 240 нм) в противовес узкополосным WDM (разнос в которых был на порядок ниже – 24-12 нм, что давало возможность разместить в 3 окне (1550 нм) 4 канала). Такое деление систем кажется на данный момент не совсем корректным, так как у таких “широкополосных” WDM спектр не перекрывался, а состоял из двух изолированных полос. С другой стороны, в настоящее время формируется класс действительно широкополосных систем WDM, перекрывающих в смежных окнах прозрачности (3-м и 4-м) полосу порядка 84 нм от 1528-1612 нм. Этот класс в будущем, возможно, будет перекрывать полосу 1280-1620 нм, если ориентироваться на характеристики пионера в этой области WaveStar AllMetro DWDM System компании Lucent Technologies, использующей волокно, устраняющее пик поглощения в области 5-го окна ( 1383 нм).
Канальный (частотный) план
Хотя рассчитывать сейчас на взаимную совместимость оборудования разных производителей систем WDM не приходится, необходимо было стандартизовать номинальный ряд несущих – “канальный или частотный план”, чтобы дать производителям ориентир на будущее, а также позиционировать уже существующие WDM системы. Эту задачу в первом приближении решил Сектор стандартизации МСЭ, выпустив стандарт ITU-T Rec. G.692.
Стандартный канальный план и его использование
Первоначально в основу проекта стандарта положен канальный (частотный) план с равномерным расположением несущих частот каналов с минимальным разносом (шагом) каналов на 0,1 ТГц, или 100 ГГц. Выбранная в плане область частот покрывает стандартизованный диапазон Dст =5,1 ТГц и практически соответствует диапазону длин волн (от 1528,77 до 1569,59 нм) амплитудно-волновой характеристики АВХ широко используемых ОУ. При выборе постоянного шага h=0,1 ТГц (100 ГГц) в этом диапазоне можно разместить максимально 51 канал с несущими, указанными в верхнем ряду нижеследующей таблицы (для пересчета на длины волн используется обычная (уточненная) формула l = 2.99792458*1017/f [нм/Гц], при этом шаг по l получается разным от 0,780 до 0,821 нм, или в среднем 0,8 нм).
При использовании шага 0,2 ТГц (200 ГГц, или в среднем 1,6 нм) можно получить производную таблицу.
Таблица 2 - Стандартный канальный план с разносом каналов на 100 ГГц
| f, ТГц | 196,1 | 196,0 | 195,9 | 195,8 | 195,7 | ... | 191,4 | 191,3 | 191,2 | 191,1 | 191,0 |
| l,нм | 1528,77 | 1529,55 | 1530,33 | 1531,12 | 1531,90 | ... | 1566,31 | 1567,13 | 1567,95 | 1569,59 | 1568,77 |
Аналогично можно получить производные таблицы как при использовании большего шага 0,4 ТГц (400 ГГц, или 3,2 нм), 0,6 ТГц (600 ГГц, или 4,8 нм) и 1,0 ТГц (1000 ГГц, или 8,0 нм).
Таблица 3 - Стандартный канальный план при разносе каналов на 200 ГГц
| f, ТГц | 196,1 | 195,9 | 195,7 | 195,5 | 195,3 | ... | 191,9 | 191,7 | 191,5 | 191,3 | 191,1 |
| нм | 1528,77 | 1530,33 | 1531,90 | 1533,47 | 1535,04 | ... | 1562,23 | 1563,86 | 1565,50 | 1567,13 | 1568,77 |
Ниже приведена таблица соответствия канальных планов оборудования WDM семи ведущих производителей канальному плану ITU-T, из которой видно, что все они соответствуют этому плану, так как не используют шага меньше 100 МГц. Кроме того, оказывается, что весь стандартный диапазон Dст поделен на два поддиапазона: S (Short band, использующий более короткие длины волн) и L (Long band, использующий более длинные волны) – в обозначениях, используемых компанией Alcatel. Выбор того или иного поддиапазона диктуется достижимой неравномерностью АВХ в этом поддиапазоне. Ясно, что более предпочтителен в этом смысле поддиапазон L, позволяющий получить хорошую неравномерность даже со стандартными ОУ без специального выравнивания.
Упомянутая таблица может быть представлена в следующем расширенном виде:
Таблица 4 - Практика использования стандартного канального плана
| Компания | Alcatel | Bellcore | Cambrian | Ciena | IBM | Lucent | MCI | Nortel | Osicom | Pirelli |
| Шаг, ТГц | 0,2; 0,1 | 0,2 | 0,2; 0,1 | 0,1; 0,05 | 0,4 | 0,1 | 0,4; 0,1 | 0,1 | 0,2; 0,1 | 0,1 |
| Начало плана S | 1531,90 | н/д | н/д | н/д | н/д | н/д | 1530,33 | 1528,77 | н/д | н/д |
| Конец плана S | 1542,94 | н/д | н/д | н/д | н/д | н/д | 1541,35 | 1539,77 | н/д | н/д |
| Начало плана L | 1547,72 | 1547,72 | н/д | 1545,32 | н/д | 1550,12 | 1549,32 | н/д | н/д | 1546,92 |
| Конец плана L | 1558,98 | 1558,98 | н/д | 1560,61 | н/д | 1560,61 | 1560,61 | н/д | н/д | 1558,98 |
| Число каналов | 8L;16S; 32-40SL | 8L | 16; 32 | 16L; 40L | 10 | 16L | 4L; 8S | 8S | 8; 16 | 16L |
Из таблицы 4 видно, что компания Ciena, а в будущем, видимо, и другие компании, использующие шаг 0,05 ТГц (50 ГГц), выйдут за рамки стандартного плана, желая увеличить число каналов как в области наиболее плоской АВХ стандартного ОУ (Ciena), так и во всей области стандартизованного диапазона с выравненным усилением ОУ 1529-1565 нм.
Ясно, что число каналов, которое можно разместить в указанном стандартном диапазоне, можно оценить по формуле Nh=Int[Dст/h], где функция Int означает операцию взятия целой части. Используя ее, получим следующую таблицу (в нижней строке указано число каналов Nh2, кратное 2n, которое может быть получено для данного шага):
Таблица 5 - Оценка максимального числа каналов, реализуемых в полосе ОУ 5,1 ТГц
| h, ТГц | 1 | 0,6 | 0,5 | 0,4 | 0,2 | 0,1 | 0,05 |
| Nh | 5 | 8 | 10 | 12 | 25 | 51 | 102 |
| Nh2 | 4 | 8 | 8 | 8 | 16 | 32 | 64 |
Из этой таблицы видно, что схема канального плана с числом каналов, кратным 2n, которой придерживаются ряд производителей, нерациональна с точки зрения использования стандартизованной выровненной полосы ОУ. Во-вторых, видно, что старый канальный план стандарта G.692 допускал формирование не более 51 канала. Этот показатель был перекрыт рядом компаний, производящих 96, 128 и 160 канальные системы.
Перспективный канальный план.
Расширения числа каналов можно достичь двумя путями: уменьшением шага h до 0,05 ТГц (50 ГГц) и частичным расширением частотного плана до 191,0 ТГц, что дает возможность довести число каналов максимально до 102; расширением стандартной полосы Dст вправо до частот порядка 186 ТГц (1612 нм), что позволяет удвоить Dст до величины 10,2 ТГц (84 нм) за счет частичного использования 4-го окна прозрачности (1600 нм). Первый путь был использован компанией Cienа, второй – Lucent. Эксплуатация вдвое большей полосы (2х5,1 ТГц) хотя и требует использования специальных сверхширокополосных оптических усилителей СШПУ (UWBA) с АВХ, охватывающих полосу 10,2 ТГц, но дает возможность увеличить число каналов до 102 при шаге 100 ГГц и до 204 при шаге 50 ГГц.
Это можно сделать, разбивая общую полосу усиления на две, называемые C-Band (Conventional Band) – обычная полоса и L-Band (Longwave Band) – диннноволновая полоса (в терминологии Bell Labs.) – не путайте с поддиапазоном L band в терминологии Alcatel, который теперь оказывается расположенным в правой половине C-Band). В этом смысле логично использовать обозначения ECI, вместо обозначений Alcatel, т.е. говорить C-band, как о полосе, состоящей из высокочастотной части (синей полосе) В и низкочастотной части (красной полосе) R. Тогда, для систем WDM получаем следующую перспективную схему канального плана на 102 канала с шагом 100 ГГц и на 204 канала с шагом 50 ГГц (см. рис. 4).
Рисунок 4 - Перспективная схема расширенного канального плана
Классификация WDM на основе канального плана.
Схема расширенного канального плана позволяет предложить следующую схему классификации, учитывающую современные взгляды и тенденции выделять три типа мультиплексоров WDM:
- обычные (грубые) WDM (CDWM) – ГМРДВ, или просто WDM – МРДВ;
- плотные WDM (DWDM) – ПМРДВ;
- высокоплотные WDM (HDWDM) – ВПМРДВ.
Хотя до сих пор и нет точных границ деления между этими типами, можно предложить, вслед за специалистами компании Alcatel, некоторые границы, основанные на исторической практике разработки систем WDM и указанном выше стандарте G.692 с его канальным планом, называемым также “волновым планом” или “частотным планом” в зависимости от того, используется ли волновая или частотная шкала канального плана. Итак, можно называть:
- системами WDM – системы с частотным разносом каналов не менее 200 ГГц, позволяющие мультиплексировать не более 16 каналов;
- системами DWDM – системы с разносом каналов не менее 100 ГГц, позволяющие мультиплексировать не более 64 каналов;
- системами HDWDM – системы с разносом каналов 50 ГГц и менее, позволяющие мультиплексировать не менее 64 каналов.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
Вербовецкий А.А. Основы проектирования цифровых оптоэлектронных систем связи: Учебное пособие.– М.: Радио и связь. – 2000, – 160 с.
Убайдуллаев Р.Р. Волоконно-оптические сети: Учебное пособие. – М.: Эко-Тренз, 1998. – 268 с.
Слепов Н.Н. Оптическое мультиплексирование с разделением по длине волны: Учебное пособие. – М.: Сети, 1999. – 113 с.
Шмалько А.В. Общие вопросы планирования цифровых первичных сетей связи. Волоконно-оптическая техника: Учебное пособие. – М.: Связь, 2000. – 200 с.