В. Г. Фокин Когерентные оптические сети
 Скачать 13.92 Mb.
|
|
(Telecommunication Management Network), определенных стандартами ITU-T серии M.3000. Архитектура управления ASON (рис. 11.7) предусматривает отдельные опции и интерфейсы по управлению сетью сигнализации и транспортной опти- ческой сетью. 338 Рис. 11.7. Архитектура системы административного управления ASON Принцип взаимодействия в сети управления основан на связи типа «Кли- ент-сервер», где в сервере сетевого управления (NMS Server) размещается про- граммный продукт управления EJB (Enterprise JavaBeans) Manager (Java Platform, Enterprise Edition, сокращенно Java EE – набор спецификаций и соот- ветствующей документации для языка Java, описывающей архитектуру сервер- ной платформы для задач средних и крупных предприятий) c расширяемым языком разметки XML (от англ. eXtensible Markup Language) для описания кон- фигурации сети, блок с описаниями объектов управления (Objects), программа управления прерываниями Trap Manager. В клиентской части системы управле- ния (NMS Client) находится интерфейс EJB с описанием управляемых объектов и прикладной программный интерфейс API (Application Programming Interface) графического представления объектов сети SWT (Standard Widget Toolkit), ко- торые необходимы для визуализации сети в системе «человек-машина». Контрольные вопросы 1. Что представляет собой маршрутизация в оптической сети? 2. С какой целью выполняется маршрутизация в оптической сети? 3. Что такое grooming? 4. Чем реализуется маршрутизация? 339 5. Что представляет собой метрика алгоритмов маршрутизации? 6. В чем смысл статической маршрутизации? 7. Каким требованиям должны соответствовать оптические соединения? 8. Что такое RWA? 9. Что формулируется в основной задаче RWA? 10. Какими методами можно решать задачу RWA? 11. Как классифицируются алгоритмы маршрутизации? 12. Чем отличаются последовательный, эвристический и оптимальный алго- ритмы маршрутизации? 13. Чем определяется назначение волн после маршрутизации? 14. Какие алгоритмы назначения используются в оптической сети? 15. Чем отличаются алгоритмы последовательный, эвристический и опти- мальный для назначения волн? 16. Чем принципиально отличаются статическая и динамическая маршру- тизация в оптической сети? 17. Что входит в общую архитектуру сети ASON? 18. Какие интерфейсы предусмотрены в ASON? 19. Что используется для поддержки сигнального взаимодействия в ASON? 20. Как происходит установление оптического соединения в ASON? 21. Какую роль играет система административного управления в ASON? 22. Какие компоненты входят в состав архитектуры управления ASON? 23. Чем отличаются NMS Server от NMS Client? 24. С какой целью применяется графического представления объектов сети SWT? 340 12. ОЦЕНОЧНЫЙ РАСЧЕТ ХАРАКТЕРИСТИК ПЕРЕДАЧИ В ОПТИЧЕСКИХ КАНАЛАХ И СЕКЦИЯХ КОГЕРЕНТНОЙ СЕТИ И ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ В настоящее время полных, достаточно подробных методик расчета опти- ческих каналов и секций когерентных систем нет в открытой печати. В методи- ках расчета для DWDM каналов, приведенных в рекомендации ITU-T G.680 (07. 2007), Sup.39 (09. 2012) и в [2], не учитываются: возможности когерентного приема сигналов на скоростях 100 Гбит/с и выше, возможности электронной компенсации дисперсии, введение штрафов в зависимости от форматов моду- ляции оптических сигналов, шумы нелинейного происхождения и т. д. Однако ключевыми элементами расчетов и для когерентных систем остаются: расчет диаграммы уровней передачи в оптическом канале; расчет минимального опти- ческого соотношения сигнал/шум (OSNR) для заданного коэффициента ошибок с учетом или без учета коррекции ошибок FEC и шумов нелинейного проис- хождения; допустимая величина дисперсионных искажений в оптическом кана- ле; учет поляризационно-зависимых потерь; учет штрафа по OSNR за формат оптического кодирования и некоторые другие [2]. Исходя из выше сказанного, предлагается рассмотреть оценочный расчет основных характеристик оптических каналов и секций с когерентным приемом, который представляется в следующем порядке: ─ расчет диаграммы уровней с учетом всех возможных потерь оптиче- ской мощности в оптическом канале (линейные потери в волокне, в сростках волокон, в разъемных соединителях, в мультиплексорах и демультиплексорах, в оптических коммутаторах, поляризационно-зависимые потери и т. д.); ─ расчет OSNR с учетом шумов спонтанной эмиссии оптических усили- телей, шумов от нелинейных эффектов волоконных световодов, шумов оптиче- ских передатчиков и приемников; некогерентности детектирования, штрафов по OSNR за формат кодирования в оптическом канале, за сужение полосы оптического канала при его прохождении через OADM/ROADM/PXC; ─ расчет допустимой дисперсии хроматической и поляризационной мо- довой от волоконно-оптической линии и оборудования оконечных и промежу- точных сетевых элементов. 12.1. Расчет диаграммы уровней и OSNR В расчете диаграммы уровней учитываются все изменения уровней пере- дачи оптического (-ких) канала (-лов) в терминальных мультиплексорах, в про- межуточных усилителях, в мультиплексорах выделения/ввода (ROADM), в коммутаторах PXC. Расчет диаграммы уровней терминальной станции включает в себя следу- ющие составляющие (для схемы на рис. 12.1): уровень мощности оптического сигнала на выходе передатчика транс- пондера Р пер ; 341 потери мощности на разъемном стыке передатчика с соединительным волокном А ст. пер ; потери мощности в соединительном волокне А св1 ; потери мощности на разъемном стыке соединительного волокна с оптическим мультиплексором А ст.ом1 ; потери мощности в оптическом мультиплексоре с учетом поляризационно- зависимых потерь А ом ; потери мощности на разъемном стыке мультиплексора с соединитель- ным волокном А ст. ом2 ; потери мощности в соединительном волокне А св2 ; потери мощности на разъемном стыке по входу с оптическим усилите- лем мощности многоканального сигнала, состоящем из волн λ 1 …..λ n А ст.оу ; усиление оптического усилителя G TE ; потери мощности на разъемном стыке выхода оптического усилителя с соединительным волокном к линейному кроссу А ст. лк ; потери мощности в соединительном волокне к линейному кроссу А св3 ; потери на стыке станционного и линейного волокон А ст. лин Рис. 12.1. Оптическая цепь учета уровня мощности спектрального канала в терминальном мультиплексоре Уровень оптической мощности одного оптического канала из n-каналов на входе в линейное волокно рассчитывается: 6 3 1 1 0 0,9 0, 45 3 5 пер лв пер СТ СВ ОМ TE P P А А А G дБм дБ дБ дБ дБ = = +0,65 дБм 342 Исходное соотношение OSNR на стороне передачи терминального муль- типлексора с учетом шумов, вносимых оптическим усилителем, составит вели- чину, уменьшение которой возможно до 12,5–14,5 дБ в канале с полосой до 50 ГГц на скорости 112 Гбит/с с форматом DP-QPSK при штрафе 0 дБ по OSNR за формат модуляции. Расчет исходного отношения OSNR производится по следующему соот- ношению: f hf NF P OSNR out in in OSNR lg 10 1 , 0 1 , 0 10 10 lg 10 , (12.1) где: OSNR out – отношение оптический сигнал/шум на выходе оптического уси- лителя передачи или оптического сетевого элемента ONE; OSNR in – отношение оптический сигнал/шум на входе ONE или оптического усилителя OA; P in – уровень мощности сигнала оптического канала на входе ONE; NF – коэф- фициент шума ONE; h – постоянная Планка, согласованная с уровнем мощно- сти (мДж×с); f – центральная частота оптического канала (Гц); Δf – полоса ча- стот оптического канала (Гц). При каскадировании некоторого N-го числа ONE (пример на рис. 12.2) ре- зультирующее значение OSNR out можно рассчитать: f hf NF P f hf NF P f hf NF P out N inN in in OSNR lg 10 1 , 0 lg 10 1 , 0 lg 10 1 , 0 10 10 10 lg 10 2 2 1 1 (12.2) где: P in1 , P in2 ,…, P inN – уровни мощности оптического канала на входах различ- ных оптических сетевых элементов (зависят от длин оптических волокон между передатчиком и входом приема и от других пассивных компонент), через кото- рые проходит оптический канал; NF 1 , NF 2 ,…, NF N – коэффициенты шума опти- ческих сетевых элементов, через которые проходит оптический канал. Для приведенного примера терминального сетевого элемента величина OSNR out будет в основном зависеть от шума выходного OA, а значение OSNR in будет достаточно высоким (в технических документах более 40–50 дБ для коге- рентных систем) и определяться шумами источника непрерывного излучения CW лазером, чаще всего подавлением боковых мод лазера и тепловыми шума- ми сигнала электрических цепей модулятора и источника. Полоса частот для оценки шумов спонтанной эмиссии может составлять от 12,5 ГГц до 50 ГГц. Полоса частот передачи для сигналов DP-QPSK на скорости 112 Гбит/с (OTU4) составляет как минимум 27,75 ГГц по уровню −3 дБ при интервале между не- сущими частотами 50 ГГц (рис. 4.30). В формате DP-DPSK на скорости 112 Гбит/с (OTU4) также составляет 27,75 ГГц. Сужение полосы частот с 50 ГГц до допустимой 27,75 ГГц может быть обусловлено включением проме- жуточных ROADM/PXC. Сужение полосы частот снижает OSNR на нормируе- мую величину штрафа за ухудшение сигнала при ограничении полосы относи- тельно исходной (см. рис. 8.20, 8.21). В качестве исходной полосы для оценочного расчета принимается 50 ГГц. Частота оптической несущей выбирается наивысшей из сетки частот диапазона C, 343 т. е. 195,9 ТГц по рек. G.694.1. Постоянная Планка 6,626 × 10 -31 мДж×с. Подста- новка данных в (12.1) дает следующий результат расчета для выхода оптиче- ского усилителя на передаче : 3 1 1 2 9 0 ,1 4 , 3 5 6 1 0 lg 6 , 2 6 1 0 1 9 5 , 9 1 0 5 0 1 0 0 ,1 4 0 1 0 l g 1 0 1 0 3 7 , 5 i n i n o u t O S N R д Б При этом расчетная величина шума LP ASE TE для оптического канала с по- лосой 50 ГГц составила −52,1 дБ. Шумовые составляющие других источников (нелинейности волокон, некогерентности детектирования и т. д.) оцениваются по совокупности в виде штрафа за ухудшение OSNR в известных пределах от 1 дБ до 6 дБ в ряде стандартных интерфейсов в виде максимального штрафа оптического тракта (рек. ITU-T G 698.1, G 698.2, G 959.1). Другие, более точ- ные по видам происхождения шумов, оценки в настоящее время неизвестны. Рис. 12.2. Оптическая линейная цепь для оценки OSNR в оптическом спектральном канале Расчет диаграммы уровней промежуточной станции с доступом к каналам (ROADM) включает в себя следующие составляющие (для схемы на рис. 12.3): 344 ( ) ( ) 0, 65 33 0,1 0,15 0,1 34 ПР in ПЕР OUT ОВ СТ ЛИН СВ СТ УС P P P P A A А А дБм дБ дБ дБ дБ дБ Усиление оптического усилителя OA1 на входе ROADM должно полно- стью компенсировать потери оптической мощности на предшествующем участ- ке и составлять величину G TE = 34 дБ. Таким образом, уровень мощности опти- ческого сигнала одного спектрального канала составит +0,65 дБм на входе пас- сивной части ROADM, в которой потери могут иметь диапазон от 6 до 22 дБ (по известным характеристикам ROADM различных производителей). В эти потери могут входить фиксированные значения от мультиплексора и демульти- плексора, коммутатора и также потери от управляемого аттенюатора, который необходим для выравнивания уровня мощности в каждом канале для равных условий каналов по OSNR. В предлагаемом примере расчетов выбрана величина 15 дБ. Тогда уровень мощности оптического сигнала на входе оптического усилителя OA2 составит −14,35 дБм, что необходимо для определения OSNR на выходе ROADM. Коэф- фициент шума оптических усилителей принимается NF 1 = NF 2 = 6 дБ. Рис. 12.3. Оптическая цепь учета уровня мощности спектрального канала в промежуточном мультиплексоре ROADM Расчет OSNR на выходе ROADM производится по формуле: )) lg( 10 2 ( 1 , 0 lg 10 1 1 , 0 1 , 0 10 10 10 lg 10 f hf NF P f hf NF P OSNR out in in in OSNR После подстановки численных значений: ) 1 , 52 6 35 , 14 ( 1 , 0 1 , 52 6 34 1 , 0 75 , 37 1 , 0 10 10 10 lg 10 out OSNR =12 дБ. 345 Основной вклад в резкое снижение OSNR после ROADM вносит протя- женная линия (33 дБ), из-за которой OSNR падает с 33,7 дБ до 12 дБ только на одном участке протяженностью до 150 км при минимальном среднем значении удельных потерь мощности 0,2 дБ/км. ВЫВОД: при проектировании оптических систем передачи с когерентны- ми высокоскоростными каналами необходимо избегать протяженных участков с предельными потерями уровня мощности оптических сигналов и выбирать оптические усилители с наименьшими значениями коэффициента шума NF. Ряд дополнительных предложений по использованию в конкретных приложениях различных оптических усилителей приводится в [2], в частности нужно обра- тить внимание на использование усилителей Рамана. Для оценки OSNR для оптических каналов протяженных линейных трак- тов с оптическими усилителями, в которых величина усиления равна величине потерь оптической мощности, используются упрощенное соотношение: f f h N NF L P OSNR out lg 10 lg 10 , (12.3) где P out – выходной уровень мощности ОА для одного канала (дБм), L – потери на пролете (дБ), которые равны G TE – усилению оптического усилителя (дБ), NF – коэффициент шума оптического усилителя (дБ), h – постоянная Планка (в мДж×с, согласованная с P out в дБм, т. е. произведение постоянной Планка и ча- стот f и Δf, относительно 1 мВт), f – оптическая частота (Гц), ∆f – ширина полосы пропускания в оптическом канале в Гц, N – общее число линейных усилителей. В структуру линейного оптического усилителя могут входить различные компонен- ты для поддержки необходимого уровня мощности и дисперсионных искажений (рис. 12.4). Учитывая возможности по адаптивной компенсации дисперсионных искажений в транспондерах оптических каналов (до 70 000 пс/нм), совмещение компенсаторов дисперсии с линейными усилителями не является обязательным и по этой причине не вносит дополнительных ухудшений по OSNR из-за снижения мощности и нелинейных эффектов в компенсирующих волокнах. Рис. 12.4. Линейный оптический усилитель и компоненты для расчета 346 Пример расчета OSNR для участка передачи 2000 км с погонными потерями оптической мощности в среднем с учетом потерь на стыках строительных длин и в разъемных стыках составляющих 0,23 дБ/км, одинаковым усилением линейных усилителей 23 дБ. Для поддержания одинакового уровня мощности всех спек- тральных каналов (40) в диапазоне C на всем протяжении принято считать, что усиление полностью компенсирует потери и усилители выравнивают уровни мощности всех спектральных каналов внутренними эквалайзерами. Допустимый уровень мощности для одного канала 40 канальной системы с учетом нелинейного предела мощности в волокне G.652 в 50 мВт (+17 дБм) со- ставит : дБм 0 , 1 10lg40 - дБм 0 , 17 lg 10 max OCh OCh N P P Оптические усилители будут размещаться равномерно по длине линии че- рез 100 км общим числом 20 с минимальным коэффициентом шума 4 дБ. Ре- зультирующее значение OSNR для спектрального канала на скорости 112 Гбит/с по (12.3) получится: 1 23 4 10 lg 20 51, 2 12, 2 OSNR дБм дБ дБ , что близко к нормативному значению с учетом возможностей FEC. Однако OSNR может оказаться меньше указанного по причинам накопле- ния нелинейных помех, примеры учета которых представлены в [2, разд. 8. Рас- чет оптических шумов], накопления дисперсии и ее возможной неполной ком- пенсации, для которой также определены параметры ухудшения OSNR (см. рис. 4.47, 4.48), которые могут составить величины до 6 дБ. 12.2. Учет накопления дисперсионных искажений Учет накопления поляризационной модовой дисперсии (ПМД) является необходимым, т. к. предусмотрены предельные значения на ПМД в стандарт- ных транспондерах до 30–70 пс со штрафом по OSNR до 1 дБ [98]. Соотноше- ние для учета накопления представлено ниже: 2 / 1 2 2 2 ] ) [( OA ROADM ПМД ПМД D D L D , где σ ПМД – удельное значение ПМД (0,05–0,5 пс/км 0,5 ), L – длины секций опти- ческого волокна, D ROADM – ПМД от ROADM, D OA – ПМД от оптических усили- телей. Для выше приведенного примера расчета OSNR на линии 2000 км значе- ние ПМД составит 2 2 1/2 [(0, 05 2000) 0 0,15 ] 2, 23 ПМД D пс , что вполне укладывается в примеры нормативов для когерентных каналов. Исследования компании Alcatel-Lucent на предмет воздействия поляриза- ционой модовой дисперсии на оптические сигналы форматов DPSK, DQPSK (рис. 12.5) показали, что только волоконные световоды стандарта G.652 и G.655 нового поколения с удельным коэффициентом ПМД около 0,05 пс/км 0,5 позво- 347 ляют реализовать оптическую передачу 100 Гбит/с потоков на расстояния свы- ше 500 км. Это также необходимо учитывать при выполнении реконструкции существующих ВОСП со старыми типами волокон, где удельное значение ПМД около 0,5 пс/км 0,5 Рис. 12.5. Ограничения на ПМД по исследованиям от Alcatel-Lucent |