Проект внедрения технологии волнового уплотнения на участке Новосибирск – Кемерово

Таблица 2.1 - Частотный план ITU-T

Сетка 50 ГГц. Более плотный, пока не стандартизированный частотный, план сетки с интервалом 50 ГГц  позволяет эффективней использовать зону 1540-1560 нм, в которой работают стандартные кремниевые EDFA. Малое  межканальное расстояние ~0,4 нм может приводить к ограничениям в возможности мультиплексирования каналов STM-64. Мультиплексирование каналов STM-64 с интервалом 50 ГГц не допустимо, поскольку тогда возникает перекрытие спектров соседних каналов. Если имеет место меньшая скорость передачи в расчете на канал (STM-4 и ниже), перекрытия спектров не возникает. При интервале 50 ГГц требования к перестраиваемым лазерам, мультиплексорам и другим компонентам становятся более жесткими, что ведет к увеличению стоимости.

Рисунок 2.1 - Перспективная схема  расширения канального плана

2.4 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, но это диктуется, как правило, используемым методом 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 и IP (без учета возможности переноса IP через ATM), осуществляющих транспортировку сигнала в глобальных цифровых сетях, то до появления систем WDM она имела вид, представленный на рисунок 2.2 а). Модель состояла из трех уровней и среды передачи и показывала, что для транспортировки графика верхнего уровня (ATM, IP) через оптическую среду передачи он должен быть инкапсулирован в транспортные модули/сигналы STM-N/STS-n(OC-n), способные, используя физический интерфейс технологии SDH/SONET, пройти через физический уровень в оптическую среду передачи. Отсюда была ясна необходимость создания технологий инкапсуляции ячеек ATM. например, в виртуальные контейнеры SDH (ATM over SDH) или в виртуальные трибы SONET (ATM over SONET), или пакетов IP в виртуальные трибы SONET (IP over SONET).

После появления систем WDM модель принимает  вид, представленный на рисунке 2.2 б). Теперь модель имеет три или четыре уровня, не считая среды передачи. Появился промежуточный уровень WDM, который, как и SDH/SONET, обеспечивает физический интерфейс, позволяющий через физический уровень выйти на оптическую среду передачи не только технологии SDH/SONET, но и технологиям ATM и IP [11].

а) до внедрения WDM; 
б) после внедрения технологии WDM 
Рисунок 2.2 - Модель взаимодействия основных транспортных технологий.

Технология WDM не требует инкапсуляции ячеек ATM или пакетов IP в промежуточный  транспортный модуль/сигнал, что не только упрощает процедуру обработки и транспортировки графика, генерируемого системами ATM или IP, но и существенно уменьшает длину заголовков, повышая процент информационной составляющей графика, 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 систем WDM в целом. В каждом таком канале принципиально может передаваться поток цифровых сигналов, сформированный в соответствии с методами, применяемыми в различных синхронных технологиях. Например, в первом канале может передаваться ATM трафик, в другом SDH, в третьем PDH, в четвёртом IP и т.д.

На рисунке 2.3 показаны варианты построения систем спектрального уплотнения с использованием стандартных оптических интерфейсов и с использованием оптических преобразователей - транспондеров, обеспечивающих передачу сигнала согласно рекомендации ITU G.692.

Рисунок 2.3 - Вариант построения системы  спектрального уплотнения с 
использованием стандартных оптических интерфейсов

2.5 Структура систем волнового уплотнения

При подходе под названием мультиплексирование  по длине волны WDM свет с разными  длинами волн от нескольких лазеров  передается по одному световоду. Простейшая схема представлена на рисунке 2.4. WDM работает следующим образом: лазеры посылают волны света мультиплексору, он уплотняет их для передачи по одной линии. WDM разбивает оптический спектр на каналы, каждый с различной длиной волны. В линии находятся оптические усилители на расстоянии десятков километров друг от друга, они усиливают все волны одновременно. Затем сигналы приходят на демультиплексор, где они разделяются и отправляются получателям [22].

В общем случае структура системы WDM состоит из одного или нескольких лазерных передатчиков, мультиплексоров, одного или нескольких усилителей EDFA, мультиплексоров ввода/вывода, оптического волокна, де-мультиплексора и соответствующего числа фотоприемников, а также электронного электронного оборудования, которое обрабатывает передаваемые данные. Особое внимание должно быть уделено тщательному подбору компонентов системы: передатчиков, мультиплексоров, демультиплексоров, усилителей и волокна, которые должны одинаково обрабатывать все каналы на всем протяжении линии связи. Необходимо учесть оптические характеристики пассивных и активных компонентов системы: вносимые потери, поляризационные эффекты, обратное отражение должны быть измерены как функции длины волны по всей ширине спектра. Необходимо исследовать влияние оптических усилителей на качество и целостность сигнала, а также взаимную интерференцию каналов.

Все материалы и компоненты тестируются  на производстве на предмет соответствия стандарта по всем необходимым характеристикам, но при объединении их в единую систему могут повлиять на ее работу самым непредсказуемым образом, поэтому помимо тестирования отдельных компонентов системы, необходимо выполнять тестирование всей сети в целом.

Большинство оптических коммуникационных устройств и элементов, применяемых  в системах WDM, используют цифровую передачу сигнала с модуляцией интенсивности, при которой бинарной 1 соответствует передача света большой интенсивности, а бинарному 0 — передача света низкой интенсивности. Последнее связано с тем, что оптические усилители EDFA вносят дополнительный шум в усиление оптического сигнала. Ниже приведены основные устройства и элементы, применяемые в WDM [6].

Рисунок 2.4 - Простейшая схема системы WDM

Лазеры. В качестве источников излучения в системах WDM используют лазеры. Лазеры подходят для передачи сигнала по одномодовому волокну. Типичные значения спектральной полосы излучения составляют для одномодовых лазерных диодов менее 0,1 нм. Потребляемая мощность порядка 1 мВт для лазерных диодов. Выпускаются как недорогие коммерческие pin-фотодиоды на основе InGaAsP, работающие на длине волны 1300 нм и обеспечивающие скорость передачи до 100 Мбит/с, так и специализированные лазеры с распределенной обратной связью (DFB), предназначенные для работы в окне 1550 нм и обеспечивающие скорость передачи до 10 Гбит/с [11].

Оптическое волокно. Оптическое волокно, уложенное в кабель, является одним из важнейших компонентов оптической сети. Оптическое волокно в настоящее время считается самой совершенной физической средой для передачи информации, а также самой перспективной средой для передачи больших потоков информации на значительные расстояния. Основания так считать вытекают из ряда особенностей, присущих оптическим волноводам. Физические особенности:

- Широкополосность оптических  сигналов, обусловленная чрезвычайно  высокой частотой несущей (Fo=1014 Гц). Это означает, что по оптической линии связи можно передавать информацию со скоростью порядка 10 бит/с или Терабит/с. Говоря другими словами, по одному волокну можно передать одновременно 10 миллионов телефонных разговоров и миллион видеосигналов. Скорость передачи данных может быть увеличена за счет передачи информации сразу в двух направлениях, так как световые волны могут распространяться в одном волокне независимо друг от друга. Кроме того, в оптическом волокне могут распространяться световые сигналы двух разных поляризаций, что позволяет удвоить пропускную способность оптического канала связи. На сегодняшний день предел по плотности передаваемой информации по оптическому волокну не достигнут.

- Очень малое (по сравнению  с другими средами) затухание светового сигнала в волокне. Лучшие образцы российского волокна имеют затухание 0.22 дБ/км на длине волны 1.55 мкм, что позволяет строить линии связи длиной до 100 км без регенерации сигналов. Для сравнения, лучшее волокно Sumitomo на длине волны 1.55 мкм имеет затухание 0.154 дБ/км. В оптических лабораториях США разрабатываются еще более "прозрачные", так называемые фторцирконатные волокна с теоретическим пределом порядка 0.02 дБ/км на длине волны 2.5 мкм. Лабораторные исследования показали, что на основе таких волокон могут быть созданы линии связи с регенерационными участками через 4600 км при скорости передачи порядка 1 Гбит/с.

Технические особенности:

- Волокно изготовлено из кварца, основу которого составляет двуокись  кремния, широко распространенного, а потому недорогого материала, в отличие от меди.

- Оптические волокна имеют диаметр  около 100 мкм., то есть очень  компактны и легки, что делает их перспективными для использования в авиации, приборостроении, в кабельной технике.

- Стеклянные волокна - не металл, при строительстве систем связи автоматически достигается гальваническая развязка сегментов. Применяя особо прочный пластик, на кабельных заводах изготавливают самонесущие подвесные кабели, не содержащие металла и тем самым безопасные в электрическом отношении. Такие кабели можно монтировать на мачтах существующих линий электропередач, как отдельно, так и встроенные в фазовый провод, экономя значительные средства на прокладку кабеля через реки и другие преграды.

- Важное свойство оптического  волокна - долговечность. Время жизни волокна, то есть сохранение им своих свойств в определенных пределах, превышает 25 лет, что позволяет проложить оптиковолоконный кабель один раз и, по мере необходимости, наращивать пропускную способность канала путем замены приемников и передатчиков на более быстродействующие.

Недостатки:

- При создании  линии связи требуются высоконадежные  активные элементы, преобразующие электрические сигналы в свет и свет в электрические сигналы. Необходимы также оптические коннекторы (соединители) с малыми оптическими потерями и большим ресурсом на подключение-отключение. Точность изготовления таких элементов линии связи должна соответствовать длине волны излучения, то есть погрешности должны быть порядка доли микрона.

Поэтому производство таких компонентов оптических линий связи очень дорогостоящее.

- Другой  недостаток заключается в том,  что для монтажа оптических  волокон требуется прецизионное, а потому дорогое, технологическое оборудование.

- Как следствие,  при аварии (обрыве) оптического кабеля затраты на восстановление выше, чем при работе с медными кабелями.