Нелинейный
оптический
эффект
Причина
Характеристики
Критическая
световая
мощность
Последствия
SPM и XPM
Зависимость показателя преломления от интенсивности оптической волны
– фазовый сдвиг: наведение сдвига фазы, перекрестное воз- действие на каналы расширение спек- тра частот, накопление с каж- дой длиной кабеля;
– нелинейный фа- зовый шум: эффект Гордона -
Молленауэра
Для одного диапазона более 10 мВт
– спектральное расширение и возрастание эффекта дис- персии;
– ограничение скорости пере- дачи мощно- стью и диспер- сией;
– начало сжа- тия импульсов;
–
формирование солитона;
– ограничение в системах с
PSK при пре- образовании
AM/PM;
– возрастание пульсации в отрицательном дисперсионном режиме
FWM
Зависимость показателя преломления от интенсивности оптической волны
Генерация смешан- ных продуктов f
ijk
=f i
+f j
-f k
(i, j≠k)
При мощности более 10 мВт
(для волокон
G.653).
Зависит от спе- цификации па- раметров кана- лов λ, интерва- ла между кана- лами и т. д.
– изменение мощности сиг- налов в каналах
– оптические перекрестные помехи в си- стемах WDM
37
Продолжение табл. 1.4
SBS
Взаимодей- ствие фотон- акустический фонон
Брюэлленовские линии в обратном направлении отно- сительно распро- странения сигнала f – ∆f
∆f = 13 ГГц
(1310 нм)
∆f = 11 ГГц
(1550 нм)
При мощности более 5 мВт
– нестабильность сигнала;
– оптические потери в во- локне;
– оптические перекрестные помехи в дву- направленных многоканаль- ных системах
SRS
Взаимодействие фотон- оптический фонон
Рамановские линии сигнала f – n∆f
Стоксовы компо- ненты)
∆f = 12 ТГц
∆λ = 70 нм
(1310 нм)
∆λ = 102 нм
(1550 нм)
– при мощно- сти более 1 Вт для одного ка- нала;
– при мощно- сти более
1 мВт для Ра- мановского усилителя в
WDM системах с критическим канальным интервалом ∆λ
– оптические потери в во- локне;
– оптические перекрестные помехи в си- стемах WDM;
– ослабление мощности сиг- нала
В рекомендации G.692 (10/1998) определена расчетная формула для оцен- ки допустимой мощности передачи в одном канале системы с WDM исходя из максимальной совокупной мощности всех спектральных каналов, которая, в свою очередь определена для каждого типа волокна исходя из последствий воз- действия нелинейных эффектов на сигналы:
=
− 10
(
), [дБм] где
M
och число оптических каналов (ОСh),
P
Moch нормируемая величина уровня совокупной мощности всех каналов (дБм), например, для волокон SMF-28ULL
(Ultra-Low-Loss) допустимый уровень мощности вводимой в волокно составля- ет +20 дБм (+17 дБм для каждого из диапазонов C и L). Таким образом наращи- вание числа оптических каналов в системе должно привести к автоматическому снижению мощности каждого из них. Снижение мощности канала приведет к ухудшению соотношения сигнал/спонтанный шум, что потребует сокращения дли- ны участка передачи для всех каналов или размещения дополнительного оптиче- ского усилителя. На протяженных участках потребуется установка нескольких уси- лителей, которые внесут дополнительные оптические шумы спонтанной эмиссии.
Ряд примеров конкретных оценок нелинейных ограничений в различных волоконных линиях (т. е. стандартов G.652-G.656) приводится в [5, −−13]. На рис. 1.16 представлен пример ограничения уровня мощности одного оптическо-
38 го канала в многоканальной системе с числом каналов от 10 до 100, различным интервалом между каналами (от 50 до 200 ГГц). Рассмотрены ограничения для нелинейного эффекта рамановского рассеяния SRS.
Рис. 1.16. Ограничения для мощности оптического канала, обусловленные эффектом SRS в волокне G.655
Другой пример ограничений, вызванных нелинейным эффектом смешения
FWM, представлен в табл. 1.5, где ограничение уровня мощности оптического
канала связано со спектральным интервалом, числом каналов и величиной хро- матической дисперсии.
Табл. 1.5. Ограничения уровня мощности для одного оптического канала (из 8,
16 и 32 каналов) для оценки эффекта FWM на длине линии 80 км при вероятно- сти ошибки на приеме канала 10
-13
, формат сигнала NRZ
Каналы DWDM Коэффициент хроматической дисперсии Число кана-лов Интервал между каналами, ГГц 2 пс/нм × км 5 пс/нм × км 10 пс/нм × км Максимальный уровень мощности, дБм 8 10
−11
−6
−4 25
−3 1
4 50 3
7 10 100 9
13 15 16 10
−13
−10
−6 25
−5
−1 1
50 0
4 8
100 6
10 14 32 10
−14
−10
−6 25
−6
−1 1
50 0
4 8
100 6
10 13
39
На рис. 1.17 представлена обобщенная оценка по битовым ошибкам для нелинейных эффектов в волоконных световодах.
Рис. 1.17. Обобщенная оценка ограничений по уровню мощности одного спек- трального канала при цифровой передаче в допустимых пределах битовых ошибок
Область, ограниченная верхней и нижней линиями, является предметом исследования для получения оптимальных с точки зрения битовых ошибок уровней для мощности оптических каналов DWDM, скорости передачи бито- вых посылок, формата цифровых данных, вида кодирования оптических импульсов (по интенсивности, по фазе), влияния дисперсионных искажений
(хроматической и поляризационной дисперсий), применения когерентного де- тектирования (гомодинного и гетеродиного).
Типовым значением верхнего предела принято считать битовые ошибки
10
-3
…10
-4
. Такие коэффициенты ошибок допустимы в оптических каналах, если используются коды упреждающей коррекции ошибок FEC (Forward Error
Correction), например, коды Рида-Соломона – RS (Reed-Solomon), а на скоро- стях передачи 40/100 Гбит/с применение гомодинного когерентного приема.
Типовыми значениями нижнего предела принято считать битовые ошибки от 10
-10
до 10
-14
, которые определяются для оптических каналов с различными скоростями передачи от 1000 Мбит/с до 100 Гбит/с. При этом не обязательно предусматривается использование кодов FEC и когерентного приема.
Перспективный путь преодоления нелинейных ограничений в одномодо- вом волокне состоит в разработке и применении волокон типа MCF (Multicore fiber – многоосновых волокон), которые содержат от 2 до 24 и более сердцевин в единой оболочке [11]. Каждая из сердцевин имеет характеристики близкие к волокнам G.652 (рис. 1.18), что перспективно и для роста скорости.
40
Рис. 1.18. Конструкция и характеристики MCF с 7 оптическими основами
Контрольные вопросы
1. Что принято понимать под системой передачи?
2. Что входит в секцию оптической передачи?
3. Что представляет собой линейный тракт ВОСП?
4. Какие функции выполняют оптические конверторы?
5. Что такое групповой тракт ВОСП?
6. Что называют каналом передачи?
7. Что такое линия передачи?
8. Что такое транспортная сеть?
9. Какие функции выполняет передающий оптический модуль?
10. Какие функции выполняет приемный оптический модуль?
11. Какие компоненты входят в состав структуры многоканальной ВОСП-
WDM?
12. Какие технологии цифрового мультиплексирования используются в
ВОСП?
13. Чем принципиально отличаются ВОСП некогерентного и когерентного типа?
14. В чем состоят преимущества когерентных ВОСП?
15. Какие предусмотрены форматы модуляции в ВОСП?
16. Какой формат модуляции и вид приема обеспечивают максимальную чувствительность приемника?
17. Чем отличаются волоконные световоды G.652a, b и G.652c, d ?
41 18. Какие преимущества имеют волокна G.655, G.656 для организации ка- налов WDM?
19. Что представляет собой диаметр поля моды волокна?
20. Какие диапазоны волн предусмотрены для передачи информационных сообщений в улучшенных волокнах G.652c, d ?
21. Какие диапазоны волн в одномодовых волокнах предусмотрены для плотного мультиплексирования DWDM?
22. Какие ограничения в ВОСП создает хроматическая дисперсия?
23. Какие ограничения в ВОСП создает ПМД?
24. Какие проблемы порождают нелинейные оптические эффекты в ОВ?
25. Какие разновидности нелинейных эффектов определены для волокон- ных световодов?
26. Какой из нелинейных эффектов создает наибольшие проблемы с пере- ходными помехами при максимальном числе каналов и минимальной хромати- ческой дисперсии?
27. Какой межканальный интервал в ВОСП–WDM нужно выбрать (10 ГГц,
25 ГГц, 50 ГГц, 100 ГГц) для большей дистанции передачи при максимальном числе каналов? И почему?
28. Чем отличаются волокна MCF от волокон SMF, NZDSF в конструкции и характеристиках?
42 2. ТЕХНОЛОГИЯ ОПТИЧЕСКОЙ ТРАНСПОРТНОЙ СЕТИ
Современное представление оптической транспортной сети OTN основано на фундаментальных определениях сектора Телекоммуникаций Международ- ного Союза Электросвязи (МСЭ-Т) – ITU-T, приводимых в рекомендациях
G.805, G.806, G.872, G.709, G.798 и т. д. Эти определения отражены в модели
OTN (рис. 2.1, а), где обозначено: OCh, Optical Channel – оптический канал;
OMS, Optical Multiplex Section – оптическая секция мультиплексирования; OTS,
Optical Transmission Section – оптическая секция передачи.
а
б
Рис. 2.1. Общая архитектура OTN
В модели OTN сосредоточены ряд функций (рис. 2.1, б): оптическая транс- портировка в секции OTS с ретрансляцией (R) – усилением сигналов и коррек- цией искажений; оптическое мультиплексирование с разделением по длине волны (OMX) с поддержкой секции мультиплексирования; оптическая маршру- тизация и кроссовая коммутация цифровых и оптических соединений (OCh,
OTU, ODU, OPU); наблюдения и наблюдаемость сигналов пользователей сети
OTN; управление и обслуживание. Ниже приведен обзор этих функций по уровням модели OTN.
43
2.1. Модель и интерфейсы оптической транспортной сети OTN На рис. 2.2 приведена ассоциация уровней модели OTN и сетевых образо- ваний (каналов, трактов и секций).
Пользовательский уровень OTN предназначен для согласованного (адапти- рованного) ввода информации пользователей (сигналов), например, циклов
SDH STM-N, ячеек АТМ, пакетов Ethernet, MPLS, IP, кадров GFP-F в оптиче- скую сеть через адаптирующие структуры. Процедуры адаптации связаны с со- гласованием цифровых скоростей, синхронизацией, кодированием и т. д.
Сетевой уровень оптических каналов OCh предусматривает транспорти- ровку цифровых сигналов пользователей в оптических каналах между точками доступа на уровне OCh. Информационные характеристики уровня OCh могут быть представлены в двух отдельных и индивидуальных логических сигналах:
─ сигналы уровня пользователя, адаптированные для передачи в опреде- ленных цифровых форматах, что в значительной мере является предметом этой главы;
─
сигналы оптических каналов в виде заголовков, действующих в трактах между точками доступа уровня сети OCh – оптического канала.
Эти сигналы объединены оптическим транспортным блоком OTU (Optical
Transport Unit), который представляет собой цифровую циклическую структу- ру, имеющую фиксированную емкость в байтах заголовков, поля нагрузки пользователей транспортных услуг и поля коррекции ошибок. Этот блок бит за битом поступает на модулятор оптического передатчика, настроенного на вол- ну λ
i из диапазона волн 1530–1625 нм, т. е. создается сетевое соединение с пе- редачей оптического канала. Модулированные оптические сигналы на различ- ных волнах объединяются оптическим мультиплексором для передачи в воло- конной линии на противоположную станцию (сетевое соединение OMS). В сек- циях передачи могут использоваться оптические усилители, которые поддер- живают сетевое соединение OTS.
Каждое из сетевых соединений имеет свой маршрут, который прописыва- ется отдельными блоками цифровых данных в заголовках OTU и цифровых блоках отдельного сервисного канала, выполняемого на отдельной волне λ
OSC
оптического сервисного канала OSC (Optical Supervisory Channel).
Заголовки позволяют решать ряд важных эксплуатационных задач оптиче- ской сети, детали которых рассматриваются ниже. К таким задачам могут отно- ситься: маршрутизация и коммутация соединений на уровне оптических кана- лов OCh, как для отдельных волн λ
i
, так и цифровых блоков.
На приемной стороне многоволновые оптические сигналы разделяются оп- тическим демультиплексором на канальные сигналы λ
i и детектируются в фо- топриемниках для восстановления цифровых блоков OTU.
44
Рис. 2.2. Соединения и тракты (маршруты) оптических каналов и секций мультиплексирования и передачи
Для поддержки функционирования оптической сети ITU-T разработал стандарты на цифровую и оптическую передачу в оптических транспортных се- тях OTN. Эти стандарты получили название оптической транспортной иерар- хии OTH. Она поддерживает все возможные аспекты оперирования и управле- ния в OTN с различными архитектурами: точка-точка, кольцо и смешанными типами. В OTH определены интерфейсы оптической сети, которые поддержи- вают соединения OTN (рис. 2.3) с различными функциональными возможно- стями [15].
Оптические интерфейсы OTN/OTH предусматривают комплексное описа- ние составляющих [15]:
оптическую транспортную иерархию в виде цифровых и оптических структур;
функциональность заголовков для
поддержки многоволновой оптиче- ской сети;
цикловые структуры (кадры передачи);
45
битовые скорости (их формирование и привязку к другим технологиям транспортных сетей);
формирование различных пользовательских сигналов;
защита пользовательских сигналов от ошибок передачи.
Рис. 2.3. Структуры интерфейсов оптической транспортной сети на основе оптической транспортной иерархии
Также в двух видах определяются эти интерфейсы: пользовательские UNI,
User-to-Network Interface
; межузловые NNI, Network Node Interface. Обычно пользовательские интерфейсы имеют упрощенные функции.
Интерфейсы могут иметь различную функциональную наполняемость, как показано на рис. 2.3 до
6 видов. Структуры интерфейсов подразделяются на два типа оптических транспортных модулей OTM (Optical Transport Module):
OTM-n.m – полнофункциональный интерфейс (предпочтителен для NNI);
OTM-0.m, OTM-nr.m, OTM-0.mvn – интерфейс c упрощенными функ- циями (предпочтителен для UNI), т. е. с одним каналом (0), упрощенный
(r – редуцированный), многолинейный с функциональным делением (mvn).
Модуль OTM представляет собой объединение оптических волн от λ
1
до λ
n
, где n = 4, 8, 16, 32 и т. д. Обозначение «0» указывает на одну оптическую волну.
В полнофункциональном интерфейсе к блоку волн n добавляется волна отдельно- го сервисного канала λ
OSC.
В интерфейсах с упрощенными функциями этого кана- ла нет. Индекс m = 1, 2, 3, 4 указывает на цифровую иерархическую принадлеж- ность оптических каналов в модуле (скорость передачи: 1 – 2 666 057.143 кбит/с;
2 – 10 709 225.316 кбит/с; 3 – 43 018 413.559 кбит/с; 4 – 111 809 973.568 кбит/с).
Обозначение mvn для многолинейного интерфейса указывает на возможности
46 этой разновидности интерфейса по передаче информационных потоков на одной оптической волне с несколькими форматами модуляции (например,
DP-QPSK две поляризационные составляющие с квадратурной модуляцией каждой) или с разделением единого цифрового потока на несколько несущих оптических волн (например, на четыре волны, как предусмотрено стандартом
G.709). Обозначение nr указывает на отсутствие оптического сервисного канала в модуле OTM.
Модули OTM образуются в уровневых структурах трех видов:
1) OTS, OMS, OCh с комплексными или функционально стандартизиро- ванными транспортными блоками (OTUk, OTUkV) и одним или большим чис- лом блоков ODUk (k = 0, 1, 2, 3, 4 иерархический уровень цифрового блока);
2) OPSn, OChr с комплексными или функционально стандартизирован- ными транспортными блоками (OTUk, OTUkV) и одним или большим числом блоков ODUk (k = 0, 1, 2, 3, 4 иерархический уровень цифрового блока);
3) OPSMnk без образования оптического канала, но с комплексными или функционально стандартизированными транспортными блоками (OTUk,
OTUkV) и одним или большим числом блоков ODUk (k = 0, 1, 2, 3, 4 иерархи- ческий уровень цифрового блока).
Подсистема оптического канала OCh определена международными стан- дартами в виде уровня оптического канала в сети в порядке поддержки управ- ления и контроля функциональности в трех составляющих:
1) оптический канал с полной поддержкой функций контроля и управле- ния (OCh) или упрощенных функций (OChr), коммутации в сети между точка- ми 3R регенерации;
2) комплексные и функционально стандартизированные транспортные цифровые блоки оптических каналов OTUk/OTUkV с предусмотренным кон- тролем и комплектом сигналов для взаимодействия между 3R точками регене- рации в транспортной сети OTN;
3) блоки данных оптических каналов (ODUk) предусматривают: тандем- ный мониторинг (ODUkT); мониторинг тракта из конца в конец (ODUkP); адап- тации клиентских сигналов к блоку нагрузки оптического канала (OPUk); адап- тации OTN ODUk сигнала к блоку нагрузки оптического канала (OPUk).
Цифровые блоки OPUk, ODUk оснащаются блоками заголовков высокого
(HO, High Overhead) и низкого (LO, Lov Overhead) порядков. Цифровые блоки с заголовками низкого порядка мультиплексируются в блоки с заголовками вы- сокого порядка. Также блоки OPUk, ODUk могут быть виртуально сцеплены для размещения необходимых клиентских сигналов.
На рис. 2.4 представлены примеры конструктивного исполнения оптиче- ских интерфейсов: оптического канала для подключения к оптическому муль- типлексору волн (рис. 2.4, а) – транспондер (TPD); оптического канала для под- ключения к пользовательскому устройству (интерфейс с функциями OPS)
(рис. 2.4, б) – модуль SFP (Small Form-factor Pluggable) компактный сменный форм-фактор. Подробное рассмотрение структур указанных транспондера и
47 модулей, их функциональных и конструктивных возможностей приводится в последующих главах.
Для перехода к детальному рассмотрению схем оптического и электриче- ского мультиплексирования OTN/OTH сначала приводится порядок формиро- вания цифровых и оптических блоков в четырех возможных вариантах
(рис. 2.5–2.8). Нетрудно заметить, что формирование оптического канала в лю- бом варианте имеет одинаковый порядок от сигнала пользователя (клиента транспортной сети), согласованно размещаемого в структуру OPUk, до полно- стью сборного цифрового оптического транспортного блока OTUk, готового для подачи на модулятор оптического передатчика. В оптической части первого варианта формируется модуль с n каналами (n = 1…32 и более), каждый из ко- торых имеет свой цифровой блок заголовка.
а
б
Рис. 2.4. Примеры устройств для реализации интерфейсов каналов OCh:
а – транспондер оптического канала; б – простой модуль подключения пользовательского (клиентского) сигнала
48
Рис. 2.5. Порядок формирования цифровых и оптических блоков OTM-n.m
Это данные заголовков оптических каналов OCCo (Optical Channel Carrier
– overhead), переносимых отдельным сервисным каналом OSC в блоке OOS
(OTM Overhead Signal) на отдельной оптической частоте (рис. 2.5), где также размещаются блоки сообщений секций OTSn OH, OMSn OH и байты данных для проведения исследовательских экспериментов с модулями OTM Comms.
Информационная нагрузка, т. е. OTUk оптического канала обозначается OCCp
(Optical Channel Carrier – payload) и представляет собой группу оптических не- сущих OCG-n.m (Optical Carrier Group). Эта нагрузка объединяется в оптиче- ский блок OMU-n.m (Optical Multiplex Unit), сопровождаемый заголовком сек- ции оптического мультиплексирования OMSn OH.
В упрощенной структуре OTM-0.m создается только один оптический ка- нал для организации связи в однопролетной секции оптического кабеля на ограниченное расстояние (чаще всего это соединительная линия внутри линей- ного цеха или между рядом расположенными узлами) от нескольких десят- ков/сотен метров до нескольких километров. При этом в оптической части не предусмотрены
средства активного мониторинга секций передачи, однако пол- ностью используются возможности цифрового мониторинга через заголовки
OTUk OH, ODUk OH, OPUk OH.
Аналогичные решения с заголовками оптических каналов и секций преду- смотрены в третьем варианте (рис. 2.7) формирования оптических модулей
49
OTM-nr.m, где может группироваться n спектральных каналов, определенное так же как и в первом варианте, т. е. n = 1…32 и более.
Рис. 2.6. Порядок формирования цифровых и оптических блоков OTM-0.m
Рис. 2.7. Порядок формирования цифровых и оптических блоков OTM-nr.m
50
Рис. 2.8. Порядок формирования цифровых и оптических блоков OTM-0.mvn
Принципиально иное решение по формированию оптического блока OTM-0.mvn предусмотрено вариантом 4 (рис. 2.8), где один цифровой блок может перено- ситься n-1 оптическими каналами после его деления на параллельные цифро- вые потоки каналов оптических транспортных линий OTL (Optical channel
Transport Lane). Под оптическими каналами можно понимать отдельные опти- ческие несущие λ
i и каналы, образуемые на одной несущей частоте при исполь- зовании различных форматов модуляции, например, с разделением по поляри- зации или кодированием фазовых состояний оптических импульсов, обознача- емые OTLCp (Optical Transport Lane Carrier payload). Такие каналы объединя- ются в группу OTLCG (Optical Transport Lane Carrier Group), которую обозна- чают многолинейной оптической физической секцией OPSMnk (Optical Physical
Section Multilane) с n каналами k уровня иерархии OTH.
Для рассмотренных вариантов формирования цифровых и оптических бло- ков предусмотрены детальные варианты последовательностей мультиплексиро- вания цифровых блоков и оптических каналов в схеме мультиплексирования.
Скачать 13.92 Mb.