В. Г. Фокин Когерентные оптические сети
 Скачать 13.92 Mb.
|
|
1 Федеральное агентство связи Федеральное государственное образовательное бюджетное учреждение высшего профессионального образования «Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики» (ФГОБУ ВПО «СибГУТИ») В.Г. Фокин Когерентные оптические сети Учебное пособие Рекомендовано УМО по образованию в области Инфокоммуникационных тех- нологий и систем связи в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению подготовки 11.03.02 и 11.04.02 – Инфокоммуникационные технологии и системы связи квалификации (степени) «бакалавр» и «магистр» Новосибирск 2015 2 УДК [621.391.63: 681.7.068](075.8) Утверждено редакционно-издательским советом ФГОБУ ВПО «СибГУТИ» Рецензенты: д-р. тех. наук, проф. Ю.А. Пальчун канд. тех. наук В.А. Шиянов Фокин В.Г. Когерентные оптические сети : Учебное пособие / Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики; каф. многока- нальной электросвязи и оптических систем. Новосибирск, 2015. 372 с. Ил.; 43 табл. В учебном пособии рассматриваются принципы построения волоконно- оптических систем передачи с когерентными оптическими приемниками на скоростях 40/100 Гбит/с и выше в оптических каналах DWDM, основные поло- жения по оптической транспортной иерархии и ее реализации в системах и оптических сетях, передатчики и приемники оптических сигналов с различны- ми форматами модуляции и их характеристики. А также оптические модули транспондеров, мукспондеров, оптические мультиплексоры, коммутаторы, уси- лители, сетевые решения с применением когерентных оптических каналов, стандарты и оборудование с примерами их использования и некоторые методи- ки оценочных расчетов. Учебное пособие предназначено для студентов направления подготовки 11.03.02 и 11.04.02 – Инфокоммуникационные технологии и системы связи квалификации «Магистр» и «Бакалавр» по профилям «Многоканальные теле- коммуникационные системы» и «Оптические системы и сети связи». Оно также может быть полезным для специалистов предприятий связи, повышающим свою квалификацию по актуальному направлению развития техники оптиче- ской связи. © Фокин В.Г., 2015 © Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики, 2015 3 ОГЛАВЛЕНИЕ Предисловие ............................................................................................................. 7 Введение ................................................................................................................... 9 1. Принципы построения волоконно-оптических систем передачи.................... 12 1.1. Основные определения оптических систем передачи и оптических се- тей. Структурные схемы ВОСП ............................................................................ 12 1.2. Преимущества когерентных ВОСП ........................................................... 20 1.3. Волоконные световоды для когерентных систем передачи и их харак- теристики. Ограничения возможностей передачи сигналов в волоконных све- товодах .................................................................................................................... 24 Контрольные вопросы ....................................................................................... 40 2. Технология оптической транспортной сети ..................................................... 42 2.1. Модель и интерфейсы оптической транспортной сети OTN .................... 43 2.2. Схема мультиплексирования OTH ............................................................. 50 2.3. Цифровые оптические блоки OTH и их формирование ............................ 56 2.3.1. Транспортные блоки оптических каналов OTUk ............................... 57 2.3.2. Блоки данных оптических каналов ODUk .......................................... 62 2.3.3. Блоки данных оптических каналов OPUk ........................................... 69 2.4. Перспективное мультиплексирование в OTH ........................................... 76 2.5. Сервисные возможности OTH .................................................................... 77 2.5.1. Дефекты ................................................................................................ 78 2.5.2. Сигналы контроля качества передачи ................................................. 78 2.5.3. Контроль упаковки циклов и сверхциклов ......................................... 79 2.5.4. Сигналы обслуживания ........................................................................ 80 2.6. Принципы построения оборудования мультиплексоров OTH ................. 83 2.6.1. Функции оборудования уровня оптической секции передачи .......... 86 2.6.2. Функции оборудования уровня оптической секции мультиплекси- рования OMS .......................................................................................................... 88 2.6.3. Функции оптических физических секций OPS ................................... 93 2.6.4. Функции уровня оптических каналов OCh ......................................... 95 2.6.5. Исполнение функций OTU в аппаратуре OTH ................................... 99 2.7. Сетевые функции оборудования OTH ..................................................... 108 2.8. Элементная база оптической транспортной иерархии ............................ 111 Контрольные вопросы ..................................................................................... 116 3. Передатчики и приемники сигналов оптических когерентных систем ........ 118 3.1. Структуры оптических передатчиков ...................................................... 118 3.2. Источники оптического излучения когерентных ВОСП ........................ 121 3.2.1. Принципы управления излучением лазера ....................................... 123 3.2.2. Источники излучения SG-DBR .......................................................... 125 3.2.3. Источники излучения DS-DBR .......................................................... 128 3.2.4. Источники излучения GCSR .............................................................. 129 3.2.5. Источники излучения LGLC .............................................................. 130 4 3.2.6. Источники излучения Y-Branch laser DBR ....................................... 132 3.2.7. Источники излучения с внешним резонатором ECL ........................ 133 3.3. Способы модуляции оптического излучения. Схемы и характеристики модуляторов ......................................................................................................... 136 3.4. Структуры и схемы прямых и когерентных приемников оптического излучения. Фотодетекторы .................................................................................. 145 3.4.1. Структуры и схемы прямых приемников оптического излучения ......... 146 3.4.2. Структуры и схемы когерентных приемников оптического излу- чения ..................................................................................................................... 149 3.4.3. Конструкции и характеристики фотодетекторов.............................. 152 Контрольные вопросы ..................................................................................... 159 4. Формирование оптических сигналов в передатчиках .................................... 161 4.1. Простые варианты кодирования оптических сигналов (ASK-OOK: NRZ, RZ, CRZ; CSRZ, DB, AMI) .................................................................................. 169 4.2. Формирование оптических сигналов с фазовой модуляцией (кодиро- вание, кодеры) и двойной поляризацией ............................................................ 174 4.3. Формирование оптических сигналов с многопозиционной квадратур- ной модуляцией .................................................................................................... 183 4.4. Формирование оптических сигналов в формате OFDM ......................... 184 4.5. Оценка спектральной эффективности формирования оптических сиг- налов и проблемы при передаче сигналов в оптических каналах ..................... 188 4.6. Характеристики промышленных когерентных передатчиков ................ 196 4.6.1. Когерентный транспондер CIVCOM ................................................. 196 4.6.2. Оптический передатчик Communication Technologies AG Optical DP-QAM Transmitter SHF 46215B ....................................................................... 198 4.6.3. Технические характеристики транспондера Cisco 100G CP-DQPSK .... 200 Контрольные вопросы ..................................................................................... 202 5. Детектирование и декодирование оптических сигналов в когерентных приемниках ........................................................................................................... 204 5.1. Принципы оптического когерентного приема и проблемы .................... 205 5.2. Методы демодуляции в гомодинных приемниках .................................. 211 5.3. Оценка отношения сигнал/шум (OSNR) на выходе когерентного опти- ческого приемника ............................................................................................... 216 5.4. Оценка некогерентности детектирования на приеме .............................. 219 5.5. Характеристики промышленных когерентных приемников .................. 220 Контрольные вопросы ..................................................................................... 224 6. Оптические усилители в когерентных системах ............................................ 226 6.1. Примесные усилители оптического излучения ....................................... 228 6.2. Оптические усилители на эффекте вынужденного комбинационного (рамановского) рассеяния .................................................................................... 236 6.3. Полупроводниковые оптические усилители (ППОУ) ............................. 244 Контрольные вопросы ..................................................................................... 250 7. Оптические трансиверы, транспондеры и мукспондеры ............................... 252 5 7.1. Оптические трансиверы SFP, SFP+, XFP, CFP ........................................ 253 7.2. Структура и характеристики транспондеров ........................................... 264 7.3. Структура и характеристики мукспондеров ............................................ 269 Контрольные вопросы ..................................................................................... 271 8. Оптические мультиплексоры и коммутаторы ................................................ 272 8.1. Мультиплексоры/демультиплексоры волновых каналов и интерли- винговые фильтры................................................................................................ 272 8.2. Оптические коммутаторы ......................................................................... 278 8.3. Оптические мультиплексоры OADM/ROADM ....................................... 282 8.4. Оптические (фотонные) кросс-коммутаторы OXC/PXC ......................... 287 Контрольные вопросы ..................................................................................... 289 9. Сетевые элементы и конфигурации оптических транспортных сетей .......... 291 9.1. Структуры активных сетевых элементов оптических сетей ................... 291 9.1.1. Оконечный (терминальный) оптический мультиплексор ................ 291 9.1.2. Оптический мультиплексор выделения/ввода .................................. 292 9.1.3. Узлы оптической кроссовой коммутации ......................................... 294 9.1.4. Оптические усилители ....................................................................... 297 9.2. Структуры пассивных оптических сетевых элементов и их функции ... 298 9.2.1. Пассивные оптические разветвители ................................................ 298 9.2.2. Компенсаторы хроматической дисперсии ........................................ 299 9.2.3. Интерливинговые фильтры (диапазонные разветвители) ................ 300 9.2.4. Оптические мультиплексоры OADM ................................................ 301 9.3. Структуры оптических сетей .................................................................... 303 9.4. Защита соединений в оптических сетях ................................................... 306 9.5. Принципы управления оптическими сетевыми элементами .................. 308 9.6. Средства измерения и тестирования когерентных оптических сетей .... 310 Контрольные вопросы ..................................................................................... 314 10. Стандарты и характеристики оборудования когерентных оптических сетей. Мультисервисные транспортные платформы .................................................... 315 10.1. Стандарты и характеристики оборудования когерентных оптических сетей ...................................................................................................................... 315 10.2. Мультисервисные транспортные платформы ........................................ 317 10.2.1. Оптическая платформа «Волга» ...................................................... 317 10.2.2. Оптическая платформа Ericsson SPO 1400...................................... 319 10.2.3. Платформа для пакетно-оптической передачи данных BTI 7000 BTI Systems ........................................................................................................... 325 10.2.4. Оптическая транспортная платформа Alcatel-Lucent 1830 Photo- nic Service Switch .................................................................................................. 326 10.2.5. Оптическая транспортная платформа Cisco ONS 15454 ................ 328 10.2.6. Оптическая транспортная платформа Huawei OptiX OSN 9800 .... 328 Контрольные вопросы ..................................................................................... 329 11. Маршрутизация оптических каналов в когерентной оптической сети ....... 330 11.1. Статическая маршрутизация для оптической сети................................ 331 6 11.2. Динамическая маршрутизация для оптической сети ............................ 334 11.3. Сети ASON .............................................................................................. 335 Контрольные вопросы ..................................................................................... 338 12. Оценочный расчет характеристик передачи в оптических каналах и сек- циях когерентной сети и практическое применение .......................................... 340 12.1. Расчет диаграммы уровней и OSNR ....................................................... 340 12.2. Учет накопления дисперсионных искажений ........................................ 346 12.3. Применения когерентных систем в оптических сетях .......................... 347 Заключение ........................................................................................................... 351 Приложение 1 ....................................................................................................... 353 Приложение 2 ....................................................................................................... 355 Список литературы .............................................................................................. 356 Список сокращений ............................................................................................. 365 7 ПРЕДИСЛОВИЕ На магистральных оптических транспортных сетях большой протяженно- сти и сетях мегаполисов России широко используются многоканальные теле- коммуникационные системы WDM (Wavelength Division Multiplex, системы с разделением каналов по длине волны λ оптического излучения) с пропускной способностью оптических каналов равной 2,5 Гбит/с, 10 Гбит/с и/или 40 Гбит/с. Общая пропускная способность таких систем по одному стандартному оптиче- скому волокну (ОВ) составляет от сотен гигабит в секунду (например, 40λ × 10 Гбит/с) до нескольких Терабит в секунду (например, 160λ × 40 Гбит/с). Функция кросс-переключения цифровых сигналов TDM (Time Division Multi- plexing, мультиплексирование с временным разделением) цифровых потоков, меньших или равных пропускной способности оптических каналов систем WDM, реализуется преимущественно на основе технологии SDH (Synchronous Digital Hierarchy, синхронной цифровой иерархии). Формирование, консолида- ция и маршрутизация пакетного трафика для последующей его передачи поверх транспортного уровня производится на IP/MPLS/TP-MPLS (Internet Protocol / Multiprotocol Label Switching – Transport Profile, интернет прото- кол / многопротокольная коммутация по меткам и ее транспортный профиль) или на Ethernet сервисном уровне сети. Следует отметить также поэтапное внедрение на сетях WDM систем кросс-коммутации клиентских потоков с раз- мещением их в полях полезной нагрузки виртуальных транспортных структур оптической транспортной иерархии OTN/OTH (Optical Transport Network – Optical Transport Hierarchy, оптическая транспортная сеть / оптическая транс- портная иерархия) и собственно оптической кроссовой коммутации. Эти сред- ства позволяют прозрачно передать любые клиентские потоки и увеличить эффек- тивность использования пропускной способности оптических каналов. По мере роста объемов передаваемого интернет-трафика, развития облач- ных технологий, скорости передачи по оптическим каналам систем WDM вы- росли от 10 Гбит/с до 40 Гбит/с и 100 Гбит/с, что привело к необходимости стандартизации интерфейсов Ethernet 40 GbitE и 100 GbitE (завершена в 2010 г.) и стимулировало разработку и стандартизацию новых средств масштабирова- ния, передачи и кросс-коммутации пакетных и TDM потоков на транспортном уровне сети WDM. Российские операторы транспортных сетей («Ростелеком», «Транстеле- ком», «Билайн» и др.) в 2012 г. начали внедрять оборудование со 100 Гбит/с передачей когерентного типа ведущих производителей (Ciena, Alkatel-Lucent, Cisco, «T8» и др.) в свои оптические транспортные сети. В настоящее время российские (компания «Т8») и зарубежные исследова- тели активно занимаются разработкой и внедрением методов формирования, передачи и приема по каналам систем с плотным мультиплексированием волн DWDM, Dense WDM (плотное с интервалом между каналами 0.8 нм, 0.4 нм) цифровых потоков 400 Гбит/с и 1 Тбит/с, которые станут преобладающими в ближайшее десятилетие на магистральных транспортных сетях. При этом 8 основным реализуемым методом передачи сигналов в оптических каналах бу- дет когерентный, который позволяет существенно (до 20 дБ) повысить энерге- тический потенциал системы и совместно с упреждающей коррекцией ошибок FEC (Forward Error Correction) и электронной компенсацией дисперсии увели- чить протяженности оптических коммутируемых каналов до 2–4 тыс. км. Таким образом, в ближайшее время (до 2020 г.) пропускные возможности уже суще- ствующих волоконных сетей могут достигнуть десятков Терабит в секунду (около 25 Тбит/с на волокно), появится принципиально новый класс оптических сетей с гибкой оптической и цифровой коммутацией, выделением / вводом опти- ческих когерентных каналов, высокоэффективной модуляцией (4–8 бит/с/Гц), низкой чувствительностью к дисперсионным искажениям. Сети такого типа уже получили в специальной, научной и технической литературе наименование «Когерентные оптические сети – Coherent Optical Networking». Назрела необходимость коррекции учебных дисциплин подготовки бака- лавров и магистров по направлению 11.03.02 – Инфокоммуникационные техно- логии и системы связи в части включения в лекционные, лабораторно- практические занятия и самостоятельную работу студентов (курсовые и ди- пломные работы) необходимых сведений, методик, справочных характеристик по существу когерентных оптических сетей связи. В настоящее время практи- чески отсутствует какая-либо учебная литература по данной теме. Пара извест- ных публикаций [1, 2] представляет собой сборники статей, которые дают ми- нимальные необходимые инженерные знания для изучения, расчетов, проекти- рования когерентных сетей, но рассчитаны на профессионально подготовлен- ных специалистов. Предлагаемое учебное пособие составлено на основе привлечения инфор- мационных и методических материалов от различных научных, технических и специальных изданий, стандартов сектора телекоммуникаций Международного Союза Электросвязи (МСЭ-Т, ITU-T, International Telecommunications Union – Telecommunications services sector) и IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers – институт инженеров по электротехнике и электронике), электрон- ных ресурсов ведущих производителей оборудования оптических сетей и т. д. Учебное пособие предназначено для бакалавров и магистров, обучающих- ся по направлению 11.03.02 и 11.04.02 – Инфокоммуникационные технологии и системы связи, профилей бакалавров: «Многоканальные телекоммуникацион- ные системы» и «Оптические системы и сети связи», изучивших основы воло- конной оптики и волоконно-оптических систем передачи (ВОСП) с мульти- плексированием PDH, SDH, Ethernet, CWDM, DWDM. Также может быть по- лезным аспирантам и специалистам предприятий связи, внедряющих технику оптической связи нового поколения. 9 ВВЕДЕНИЕ Современные операторы сетей связи и провайдеры телекоммуникацион- ных услуг заинтересованы в снижении затрат на передачу данных, а пользова- тели – в ускорении и упрощении доступа к услугам связи. Реализация требова- ний пользователей часто приводит к перегрузке существующих сетей. Внедрение новых широкополосных услуг мобильной и фиксированной связи, включая потоковое видео и доступ к социальным сетям, связанное с использованием новых приложений (облачные приложения) и интерактивных услуг, приводит к удвоению объемов передаваемых данных каждые два-три го- да. Простое расширение сетевой инфраструктуры (строительство новых опти- ческих линий, увеличение количества оборудования) оказывается в этом случае не эффективным, т. к сопровождается удорожанием обслуживания и эксплуа- тации сетей. Провайдеры и операторы телекоммуникационных сетей должны быть уверены в возможности эффективного масштабирования пропускной спо- собности и производительности сетей, имеющих разнообразную топологию и покрывающих значительные территории, а пользователи телекоммуникацион- ных услуг должны получить по своим запросам высококачественный сервис без существенного удорожания. При этом компромиссные решения могут иметь большую научно-техническую составляющую в новых технологиях оптических сетей и их организации. Что же представляют собой новые направления технологических и органи- зационных решений для оптических транспортных сетей? Известны до десятка таких направлений, которые можно считать самостоятельными, но можно объ- единять в группы. 1. Использование существующих волоконно-оптических линий для спек- трального мультиплексирования CWDM и DWDM (Coarse Wavelength Division Multiplex – грубое мультиплексирование с разделением по длине волны; CWDM, Dense WDM – плотное WDM). 2. Использование оптических мультиплексоров выделения и ввода оптиче- ских каналов OADM (Optical Add-Drop Multiplexer) и ROADM (Reconfigurable Optical Add-Drop Multiplexer) для развития гибкости и масштабируемости сети. 3. Использование спектральных оптических каналов для передачи стати- стически мультиплексируемых пакетных сообщений Ethernet, IP/MPLS. 4. Использование электронной TDM и оптической OXC (Optical Cross- Connect) кроссовой коммутации в узлах оптической сети. 5. Увеличения пропускной способности спектральных каналов в системах с DWDM (от скоростей 2,5; 10; 40 Гбит/с) до 100, 400 Гбит/с и 1 Тбит/с за счет использования как новых типов волокон, так и новой элементной базы для цифрового кодирования, фазовой и амплитудно-фазовой оптической модуля- ции с сохранением стандартной сетки волн 0,8 или 0,4 нм между каналами и спектральной эффективностью модуляции от 0,4 бит/Гц до 4–8 бит/Гц. 10 6. Использования цифровых циклических блоков оптической иерархии OTN/OTH для гибкого размещения пользовательских данных и их гарантиро- ванной защиты процедурами коррекции ошибок FEC. 7. Составление схем/алгоритмов статического и динамического назначения рабочих и резервных маршрутов отдельных оптических каналов в сети. Использо- вания алгоритмов оптимизации ресурсов оптической сети (обобщенное назва- ние grooming, не имеющее дословного перевода на русский язык), т. е. ком- плексное решение задач маршрутизации, назначения соединений, пропускной способности с использованием процедур сцепки цифровых блоков под единый информационный поток и т. д. 8. Увеличения дальности передачи и емкости каналов при использовании новых типов волокон, в том числе с множеством сердцевин MCF и малым чис- лом мод FMF, малошумящих групповых и индивидуальных оптических усили- телей, когерентного оптического приема, адаптивных электронных и оптиче- ских компенсаторов дисперсионных искажений. 9. Разработка схем организации оптических транспортных сетей, гаранти- рующих отказоустойчивость, как при одиночных, так и при двух- и трехкрат- ных отказах линий или оборудования. 10. Реализация функций гибкого управления сетью и переход к функциям автоматически коммутируемых оптических транспортных сетей ASON (Auto- matic Switched Optical Network). Большая часть перечисленных направлений совершенствования оптиче- ских транспортных сетей представлена главами учебного пособия. При этом основное внимание сконцентрировано на принципиально новых технических решениях, которые отражают сущность когерентных оптических сетей. Учеб- ное пособие состоит из предисловия, введения, 12 глав, заключения, списка ли- тературы и списка сокращений. В первой главе рассматриваются принципы построения волоконно- оптических систем передачи: структура ВОСП, ВОСП-WDM и структура ВОСП когерентного типа с указанием преимуществ последней. Рассматрива- ются волоконные световоды для когерентных систем передачи и их характери- стики. Показаны ограничения по пропускной способности волоконных свето- водов. В гл. 2 приводится материал по оптической транспортной иерархии по- следнего поколения (стандарты 2014/2015 гг.). Кратко рассматривается пакет стандартов по новой телекоммуникационной технологии, схема мультиплекси- рования в ее цифровой и оптической составляющих, принципы упреждающей коррекции ошибок, сервисные возможности, функциональное построение обо- рудования для OTN/OTH и его сетевые возможности. В гл. 3 кратко рассмотрены структуры передатчиков и приемников оптиче- ских сигналов когерентных систем, способы модуляции оптического излуче- ния, схемы и характеристики модуляторов, схемы и характеристики когерент- ных приемников оптических сигналов. 11 В гл. 4 рассматривается формирование оптических сигналов в передатчи- ках: формирование оптических сигналов с фазовой, многоуровневой амплитуд- ной и смешанной модуляцией; характеристики промышленных когерентных передатчиков (кодеры цифровых блоков). Дается оценка спектральной эффек- тивности формирования оптических сигналов и проблемы при их передаче в оптических каналах. В гл. 5 рассматриваются принципы детектирование оптических сигналов в когерентных приемниках: способы построения фотодетекторов, характеристики промышленных когерентных приемников (декодеры цифровых блоков). Дается оценка отношения сигнал/шум OSNR (Optical Signal Noise Ratio) на выходе ко- герентного оптического приемника и оценка некогерентности детектирования на приеме. В гл. 6 приводятся сведения о оптических усилителях в когерентных си- стемах передачи: волоконные оптические усилители с редкоземельными эле- ментами и их характеристики; волоконные рамановские усилители и их харак- теристики. В гл. 7 приводятся сведения по оптическим трансмиттерам, транспондерам и мукспондерам: структура и характеристики транспондеров (с примерами); структура и характеристики мукспондеров (с примерами). В гл. 8 представлены оптические мультиплексоры и коммутаторы: терминаль- ные оптические мультиплексоры; оптические мультиплексоры OADM/ROADM; оптические (фотонные) кросс-коммутаторы. В гл. 9 рассматриваются определение и виды сетевых элементов оптиче- ских транспортных сетей, а также конфигурации данных сетей и способы защи- ты соединений в них. В гл. 10 приведены стандарты и характеристики оборудования когерент- ных оптических сетей. Мультисервисные транспортные платформы когерент- ных сетей. В гл. 11 представлены статистическая и динамическая маршрутизация оптических каналов в когерентной оптической сети, а также сети с автоматиче- ской коммутацией ASON. В гл. 12 приведены расчеты характеристик передачи в оптических каналах и секциях когерентной сети и их практическое применение. В целом содержание пособия рассчитано на специалистов и подготовле- ных студентов, изучивших основы техники оптической связи, технологии па- кетной передачи и цифрового мультиплексирования и передачи. 12 1. ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ СИСТЕМ ПЕРЕДАЧИ |