Проект внедрения технологии волнового уплотнения на участке Новосибирск – Кемерово

Использование регенераторов, осуществляющих преобразование электрического сигнала в оптический и обратно, позволило увеличить дальность передачи полученного оптического сигнала по каждому следующему участку ВОЛП [11].

Первые волоконно-оптические системы  передачи строились с использованием многомодовых оптических волокон, с диаметром сердцевины 50-85 мкм, совместно с лазерными источниками множественной продольной моды (MLM), называемыми лазерами Фабри-Перо. Передатчики оптических сигналов, выполненные на основе MLM, генерировали оптическое излучение в диапазоне длин волн 0,8 и 1,3 мкм с достаточно широким спектром, единицы-десятки нм. Энергия импульса передается посредством ряда волн, которые, распространяясь вдоль волокна, проходят неравный путь, приводящий к разным скоростям распространения. И как следствие, импульсы на выходе становятся нечеткими и размытыми. Эта нечеткость называется дисперсией, а в многомодовом волокне – модовая дисперсия. Для уменьшения ее влияния в первых системах применялись регенераторы, которые восстанавливали сигнал каждые несколько километров.

Следующим этапом в развитии волоконно-оптических систем стало устранение модовой дисперсии. Для этого было использовано одномодовое  волокно с MLM лазерами в диапазоне длины волны 1,3 мкм. В отличие от многомодового волокна оно передает всю энергию светового сигнала посредством одной моды, что эффективно устраняет модовую дисперсию и обеспечивает значительное увеличение не только скорости передачи, но и допустимого расстояния между регенераторами. В конце 80-х годов стали применять системы с длиной волны 1,55 мкм, которые позволили увеличить расстояния между регенераторами, ранее определяемые потерями в волокне. По сравнению с длиной волны 1,3 мкм, длина волны 1,55 мкм позволила уменьшить потери. Но на этом этапе появился другой отрицательный фактор – хроматическая дисперсия, которая, в свою очередь, стала ограничивать увеличение битовой скорости. В одномодовом  волокне различные составляющие частотного спектра импульса распространяются с различной  скоростью, что приводит к нечеткости импульса на выходе. Волокно, практически не имеющее хроматической дисперсии в диапазоне 1,3 мкм и имеющее значительное влияние в диапазоне 1,55 мкм, носит название стандартного одномодового волокна. Такое проявление хроматической дисперсии вызвало необходимость разработки волокна со смещенной дисперсией.  Из необходимости обеспечения нулевого значения хроматической дисперсии в окне длин волн 1,55 мкм, такое волокно было специально разработано. Но существующая к тому времени огромная база установленных стандартов одномодовых кабелей, для которых это решение не было эффективным. Поэтому нашли другой способ преодоления хроматической дисперсии – уменьшении спектра передаваемого импульса до размеров, близких к полосе пропускания частоты модуляции. Это было реализовано за счет MLM лазеров, которые, как уже говорилось, излучают в достаточно широком спектре, составляющем несколько нм. Так появились лазеры с распределенной обратной связью (DFB) с одной продольной модой (SLM). Эти лазеры имеют узкую ширину спектра и позволяют достичь скорости более 1 Гбит/с [11].

Дальнейшее развитие ВОСП связано с появлением в конце 80-х – начале 90-х годов оптических усилителей, легированных эрбием (EDFA). Оптические усилители, будучи прозрачными по отношению к скорости передачи и видам модуляции, позволяют проводить эффективное усовершенствование системы путем замены только оконечного оборудования. Были разработаны новые системы, в которых была произведена замена регенераторов на EDFA. За счет этого была существенно снижена их стоимость. Еще одно существенное преимущество оптических усилителей заключается в способности одновременно усиливать сигналы различных длин волн. Это дает возможность увеличения емкости и скорости передачи за счет мультиплексирования по длине волны (WDM).  Мультиплексирование WDM заключается в использовании более одной длины волны. Данная технология является более экономичной, по сравнению с прокладкой нового кабеля и установкой для каждоговолокна регенераторов или усилителей. В настоящее время WDM-системы на 8 – 32 длины волны уже введены в эксплуатацию. Каждая из этих систем переносит график со скоростью 2,5 Гбит/с.

Успехи в создании систем передачи с WDM и DWDM привели в настоящее время к разработке концепции полностью оптических сетей, которые способны обеспечить гигантскую полосу пропускания. Предполагается, что оптические сети пройдут три основных этапа развития архитектур:

- точка-точка и линейная цепь;

- одиночное четырехволоконное  кольцо;

- множественные кольца и ячейки.

Эти сети прозрачны для любых  видов графика (SDH, PDH, ATM и других), так как каждой нагрузке можно предоставить свой, независимый от других, оптический тракт, образованный оптической несущей.

2.2 Многомодовые системы передачи

Увеличение объема передаваемых данных постепенно привело к исчерпанию пропускной способности существующего оптического волокна. Со всей остротой встал вопрос об ее увеличении, который можно решить тремя способами: проложить новый кабель, перейти к более производительной аппаратуре временного мультиплексирования или применить WDM. Поскольку прокладка кабеля является очень дорогостоящей, а в некоторых случаях вообще невозможной, недостатки этого варианта очевидны. Недостаток второго варианта, весьма существенно ограничивающий его применение, заключается в росте сложности оборудования для модуляции и мультиплексирования при увеличении скоростей передачи данных. Дальнейшее увеличение полосы пропускания смогла обеспечить технология волнового мультиплексирования WDM [6].

Системы WDM основаны на способности оптического волокна одновременно передавать свет различных длинных волн без взаимной интерференции. Каждая длина волны представляет собой отдельный оптический канал в волокне.

Оптическое мультиплексирование  с разделением по длинам волн (называемое также волновым, или спектральным мультиплексированием) – МРДВ (WDM) - сравнительно новая технология оптического (или спектрального) уплотнения. WDM, как технология, стала активно разрабатываться с начала 70-х годов. Первые устройства были рассчитаны на использование в популярном в то время 1 окне (700-850 нм) с ориентацией на многомодовое ОВ, предназначались для объединения 2-4 каналов и базировались на макро и микро оптике. Затем, в силу общей тенденции, произошло смещение акцентов в сторону 2 и 3 окон и в пользу одномодового ОВ.

Время широкого признания WDM как конкурентной технологии фактически пришло пять лет назад, когда появились первые полудуплексные четырехканальные системы. Их быстрому внедрению мешала высокая стоимость оборудования WDM и быстрый прогресс в области создания массовых и дешевых мультиплексоров SDH/SONET. Однако последние три года эта технология резко увеличила свое распространение на сетях операторов дальней связи.Сейчас промышленные системы WDM позволяют объединять до 128-160 каналов, а та же Bell Labs, сообщила в начале 2000 г. об удачных экспериментах по мультиплексированию 1024 каналов в одном волокне. Однако подобные системы (128-160 каналов и более) разных производителей несовместны, а их стоимость остается по-прежнему высокой. Наиболее привлекательными являются системы с числом каналов соответстующих канальным планам [11].

Эра WDM, как указывалось выше, практически началось с объединения двух несущих 1310 и 1550 нм, что позволило удвоить емкость системы, и было оправдано всей историей развития ВОЛП. Многие стандартные системы SDH предлагают это сейчас, как один из вариантов исполнения. Ряд исследователей называет такие системы широкополосными WDM  (разнос по длине волны составляет 240 нм) в противовес узкополосным WDM(разнос у них на порядок ниже – 24-12 нм, что давало возможность разместить в окне 1550 нм 4 канала).

Основными параметрами систем WDM помимо числа организуемых каналов, их иногда называют так же «виртуальными каналами», являются [22]:

Топология. В порядке возрастания  сложности в WDM-системах могут быть реализованы следующие топологии:

- «точка-точка без возможности ввода/вывода каналов;

- «линейная цепь» с возможностью  ввода/вывода каналов;

- «точка-много точек», реализуемые  с помощью концентратора;

- «кольцо» одинарное без защиты;

- «двойное кольцо» с защитой;

- «ячеистая  сеть» с возможностью динамической маршрутизации.

Секция. Это  участок пути, перекрываемый в  результате компенсации потерь от затухания сигнала за счет запаса по усилению (бюджета секции) или работы оптических усилителей. Секции могут быть короткими (50-90 км, как правило, они не содержат оптических усилителей), средними (80-150 км, обычно содержат бустеры и предварительные усилители) и длинными (500-700 км, состоят из нескольких участков перекрытия и, как правило, содержат усилитель мощности – бустер, несколько линейных усилителей и предварительный усилитель). Секции ограничены терминальными мультиплексорами.

Дистанция. Максимальное расстояние, на которое могут быть переданы данные. Она определяется числом секций и  длиной одной секции, а также возможным наличием регенераторов. С учетом того, что секции зачастую содержат оптические усилители разных типов, дистанция, перекрываемая одной секцией, может иметь длину 500-700 км. Секции могут стыковаться без использования регенераторов – путем соединения терминальных мультиплексоров (back-to-back). Регенераторы применяются для восстановления оригинальной формы сигнала после прохождения им секционного блока.

Скорость входных данных и тип  поддерживаемых логических интерфейсов. Указаны границы диапазона скоростей, которые определяются, в частности, наличием поддержки того или иного логического интерфейса (или формата данных) для взаимодействия с сетями разных типов.

Управление. Характеризует возможность  управления системой в целом, включая  управление SDH/SONET – мультиплексорами и оборудованием сети, с которой стыкуется аппаратура WDM. В этом смысле управление разбивается на традиционное для систем SDH/SONET полноценное управление на основе TMN с помощью интерфейсов Q и F и на супервизорное управление с использованием агента SNMP. Возможно также применение специально разработанной системы управления сетью WDM, включающей в себя систему мониторинга волоконно-оптических каналов.

Канал управления. Имеется в виду оптический канал супервизорного управления (Optical Supervision Channel, OSC). Этот канал образуется на дополнительной оптической несущей, которая лежит за пределами фактически используемой полосы. В то же время он может принадлежать полосе, занимаемой стандартизированными каналами планом, либо соответствовать некоторым стандартным (но не применяемым для основной полосы) несущим или частотам накачки лазеров в оптических усилителях (1310, 1480, 1510, 1532 и 1625 нм).

Тип системы. Дуплексные, или двунаправленные, системы (D) – используют две оптические несущие на канал, а полудуплексные (S) – одну несущую. Многие производители сообщают число каналов без указания типа системы, тогда считается, что она может работать как полудуплексная с n каналами или как дуплексная с n/2 каналами.

Код. Как правило, широко используются два типа линейного кодирования – Non-Return-to-Zero (NRZ) и Return-to-Zero (RZ). Первый обеспечивает большую плотность эквивалентных бит на секундный интервал и предпочтительнее в SDH – системах верхних уровней иерархии. Второй широко применяется в DWDM – системах в силу специфики работы модуляторов.

Число каналов ввода/вывода. Реализовать  ввод/вывод трибов (электрических или оптических), участвующих в схеме первичного электрического или оптического SDN-мультиплексирования, в оптический канал, представленный отдельной оптической несущей, или из него в схему вторичного оптического WDM-мультиплексирования достаточно сложно (особенно для оптических трибов). Поэтому в ряде WDM-систем эта операция вообще не реализована (обеспечивается лишь работа в режиме «точка-точка») либо ограничено число каналов, для которых она разрешена (например, 4 из 16, 8 из 40, 12 из 64). Мало того, число каналов вообще может быть ограничено снизу на уровне виртуального контейнера VC-4.

Другим важным параметром является допуск. Он указывает, какую максимальную дисперсию, накопленную на длине одной секции, способна преодолеть WDM-система без потери качества сигнала, определяемого уровнем ошибок (BER). Эта величина используется для проверки способности системы (секции) перекрывать определенную дисперсию. Зная конкретный тип волокна и соответствующее ему значение дисперсионного параметра D, определяемого для граничной длины волны в занимаемой полосе, можно подсчитать фактически накопленную дисперсию путем умножения D на длину секции. Если фактический допуск меньше предельного, система работоспособна при использовании данного волокна, если нет – требуется использовать другое волокно, уменьшить длину секции, либо (когда последнее нежелательно или невозможно) применить компенсаторы дисперсии [11].

2.3 Канальные планы систем уплотнения WDM.

Самым важным параметром в технологии волнового мультиплексирования является расстояние между соседними каналами. Сегодня не существует стандартизации пространственного расположения каналов, работы по стандартизации начаты, на ее основе можно будет начинать проведение тестов на взаимную совместимость оборудования разных производителей. Сектор по стандартизации телекоммуникаций Международного союза по электросвязи ITU-T утвердил частотный план WDM с расстоянием между соседними каналами 100 ГГц (Δλ≈0,8 нм), таблица 2.1. Большие дебаты идут вокруг принятия частотного плана с еще меньшим расстоянием между каналами 50 ГГц (Δλ≈нм). Без понимания того, какие преимущества имеет каждый частотный план, операторы связи и организации, планирующие наращивание пропускной сети, могут столкнуться со значительными трудностями и излишними инвестициями [11].

Сетка 100 ГГц. В таблице 2.1 показаны сетки частотного плана 110 ГГц с  различной степенью разреженности каналов. Все сетки, кроме одной – 500/400, имеют равноудаленные каналы. Равномерное распределение каналов позволяет оптимизировать работу волновых конверторов, перестраиваемых лазеров и других устройств полностью оптической сети, позволяет легче выполнять ее наращивание. Реализация той или иной сетки частотного плана во многом зависит от трех основных факторов: типа используемых оптических усилителей (кремниевого или фтор – цирконатного) скорости передачи на канал – 2,4 Гбит/с (STM-16) или 10 Гбит/с (STM-64), влияния нелинейных эффектов, причем все эти факторы сильно взаимосвязаны между собой.

EDFA на кремниевом волокне имеют недостаток - большую вариацию коэффициента усиления в области ниже 1540 нм, это приводит к более низким значения соотношения сигнал/шум и нелинейности усиления в этой области. Нежелательны сильно низкие и сильно высокие значения коэффициента усиления. С ростом полосы пропускания минимальное допустимое по стандарту соотношение сигнал/шум возрастает - так для канала STM-64 окно на 4-7 дБ выше, чем для STM-16. Таким образом, нелинейность коэффициента усиления кремниевого EDFA сильней ограничивает размер зоны для мультиплексных каналов STM-64 (1540-1560 нм), нежели чем для каналов STM-16 и меньшей емкости (где можно использовать практически всю зону усиления кремниевого EDFA, несмотря на нелинейность).