Реконструкция волоконно-оптической линии связи - Коммуникации и связь - Скачать бесплатно
Содержание
Введение 4
Обоснование реконструкции магистральной ВОЛС 6
Глава 1. Основные принципы цифровой системы передачи STM-64 7
1.1. Основы синхронной цифровой иерархии 7
1.2. Методы мультиплексирования информационных потоков 10
1.2.1. Метод временного мультиплексирования (ТDМ) 10
1.2.2. Метод частотного уплотнения (FDM) 11
1.2.3. Уплотнение по поляризации (PDM) 11
1.2.4. Многоволновое мультиплексирование оптических несущих (WDM)
12
Глава 2. Основные сведения о ВОЛС 15
2.1. Волоконно-оптические кабели 18
2.1.1. Соединение оптических волокон 19
2.2. Оптическое волокно. Общие положения 20
2.3. Распространение световых лучей в оптических волокнах 21
2.4. Моды, распространяющиеся в оптических волноводах 22
2.5. Одномодовые оптические волокна 25
2.6. Константа распространения и фазовая скорость 28
Глава 3. Процессы, происходящие в оптическом волокне, и их влияние на
скорость и дальность передачи информации 31
3.1. Затухание оптического волокна 31
3.2. Дисперсия 34
3.3. Распространение световых импульсов в среде с дисперсией 38
3.3.1. Физическая природа хроматической дисперсии 43
3.3.2. Влияние хроматической дисперсии на работу систем связи 44
3.4. Поляризационная модовая дисперсия 44
3.4.1. Природа поляризационных эффектов в одномодовом оптическом
волокне 45
3.4.2. Контроль PMD в процессе эксплуатации ВОСП. 50
Глава 4. Методы компенсации хроматической дисперсии 51
4.1. Обзор методов компенсации дисперсии 51
4.1.1. Оптическое волокно, компенсирующее дисперсию. 53
4.1.2. Компенсаторы на основе брэгговских решеток с переменным
периодом. 55
4.1.3. Компенсаторы хроматической дисперсии на основе планарных
интерферометров и микро-оптических устройств. 58
4.1.4. Способы компенсации дисперсии, основанные на
управлении передатчиком или приемником излучения. 60
Глава 5. Расчет технических характеристик магистральной ВОЛС 62
5.1. Паспортные технические данные приемопередающего оборудования и
ВОК, используемые при расчетах дисперсии и затухания 62
5.2. Расчет дисперсии ВОЛС 63
5.2.1. Расчет поляризационной модовой дисперсии 64
5.2.2. Расчет хроматической дисперсии 64
5.3. Расчет энергетического бюджета 66
5.4. Расчет линии связи с учетом компенсации дисперсии 66
Заключение 69
Список использованных источников информации 71
Список принятых сокращений 72
Приложение
Введение
Мир телекоммуникаций и передачи данных сталкивается с динамично
растущим спросом на частотные ресурсы. Эта тенденция в основном связана с
увеличением числа пользователей Internet и также с растущим взаимодействием
международных операторов и увеличением объемов передаваемой информации.
Полоса пропускания в расчете на одного пользователя стремительно
увеличивается. Поэтому поставщики средств связи при построении современных
информационных сетей используют волоконно-оптические кабельные системы
наиболее часто. Это касается как построения протяженных
телекоммуникационных магистралей, так и локальных вычислительных сетей.
Оптическое волокно (ОВ) в настоящее время считается самой совершенной
физической средой для передачи информации, а также самой перспективной
средой для передачи больших потоков информации на значительные расстояния.
Сегодня волоконная оптика находит применение практически во всех задачах,
связанных с передачей информации.
Широкомасштабное использование волоконно-оптических линий связи
(ВОЛС) началось примерно 40 лет назад, когда прогресс в технологии
изготовления волокна позволил строить линии большой протяженности. Сейчас
объемы инсталляций ВОЛС значительно возросли. В межрегиональном масштабе
следует выделить строительство волоконно-оптических сетей синхронной
цифровой иерархии (SDH). Стремительно входят в нашу жизнь волоконно-
оптические интерфейсы в локальных и региональных сетях Ethernet, FDDI, Fast
Ethernet, Gigabit Ethernet, ATM.
В настоящее время по всему миру поставщики услуг связи прокладывают
за год десятки тысяч километров волоконно-оптических кабелей под землей, по
дну океанов, рек, на ЛЭП, в тоннелях и коллекторах. Множество компаний, в
том числе крупнейшие: IBM, Lucent Technologies, Nortel, Corning, Alcoa
Fujikura, Siemens, Pirelli ведут интенсивные исследования в области
волоконно-оптических технологий. К числу наиболее прогрессивных можно
отнести технологию сверхплотного волнового мультиплексирования по длине
волны DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing), позволяющую
значительно увеличить пропускную способность существующих волоконно-
оптических магистралей.
Область возможных применений ВОЛС весьма широка — от линии городской
и сельской связи и бортовых комплексов (самолеты, ракеты, корабли) до
систем связи на большие расстояния с высокой информационной емкостью. На
основе оптической волоконной связи могут быть созданы принципиально новые
системы передачи информации. На базе ВОЛС развивается единая интегральная
сеть многоцелевого назначения. Весьма перспективно применение волоконно-
оптических систем в кабельном телевидении, которое обеспечивает высокое
качество изображения и существенно расширяет возможности информационного
обслуживания абонентов.
Многоканальные ВОСП широко используются на магистральных и зоновых
сетях связи страны, а также для устройства соединительных линий между
городскими АТС. Объясняется это тем, что по одному ОВ может одновременно
распространяться много информационных сигналов на разных длинах волн, т.е.
по оптическим кабелям (ОК) можно передавать очень большой объем информации.
Особенно эффективны и экономичны подводные оптические магистрали.
В волоконно-оптических линиях связи (ВОЛС) цифровые системы передачи
нашли самое широкое распространение как наиболее приемлемые по своим
физическим принципам для передачи.
На основе ОК создаются локальные вычислительные сети различной
топологии (кольцевые, звездные и др.). Такие сети позволяют объединять
вычислительные центры в единую информационную систему с большой пропускной
способностью, повышенным качеством и защищенностью от несанкционированного
допуска.
Легкость, малогабаритность, невоспламеняемость ОК сделали их весьма
полезными для монтажа и оборудования летательных аппаратов, судов и других
мобильных устройств.
Обоснование реконструкции магистральной ВОЛС
На участке Тюмень - Ялуторовск проложен волоконно-оптический кабель
Fujikura OGNMLJFLAP-WAZE SM·10/125x8C тип 3, по которому осуществляется
работа цифровой системы передачи (ЦСП) STM-4, обеспечивающей передачу
информации со скоростью 622,08 Мбит/с.
Используемая в настоящее время ЦСП не удовлетворяет растущим
потребностям клиентов в пропускной способности волоконно-оптической линии
связи. Так как объем передаваемой информации постоянно возрастает,
необходимо увеличить скорость передачи сигналов по ВОЛС путем
реконструкции, которая заключается в замене приемопередающего оборудования
ЦСП STM-4 на STM-64.
Перед исполнителем дипломной работы поставлены следующие задачи:
- изучить конструкцию и параметры магистральной ВОЛС Тюмень-Ялуторовск;
- оценить возможность передачи сигнала STM-64 по существующей
магистральной ВОЛС Тюмень-Ялуторовск;
- изучить возможные варианты реконструкции ВОЛС и выделить наиболее
эффективный.
Глава 1. Основные принципы цифровой системы передачи STM-64
1.1. Основы синхронной цифровой иерархии
Структура первичной сети предопределяет объединение и разделение
потоков передаваемой информации, поэтому используемые на ней системы
передачи строятся по иерархическому принципу. Применительно к цифровым
системам этот принцип заключается в том, что число каналов ЦСП,
соответствующее данной ступени иерархии, больше числа каналов ЦСП
предыдущей ступени в целое число раз.
Аналоговые системы передачи с ЧРК также строятся по иерархическому
принципу, но в отличие от ЦСП для них ступенями иерархии являются не сами
системы передачи, а типовые группы каналов.
Цифровая система передачи, соответствующая первой ступени иерархии,
называется первичной; в этой ЦСП осуществляется прямое преобразование
относительно небольшого числа первичных сигналов в первичный цифровой
поток. Системы передачи второй ступени иерархии объединяют определенное
число первичных потоков во вторичный цифровой поток и т.д.
В рекомендациях МСЭ-Т представлено два типа иерархий ЦСП:
плезиохронная цифровая иерархия PDH и синхронная цифровая иерархия SDH.
Первичным сигналом для всех типов ЦСП является цифровой поток со скоростью
передачи 64 кбит/с, называемым основным цифровым каналом (ОЦК). Для
объединения сигналов ОЦК в групповые высокоскоростные цифровые сигналы
используется принцип временного разделения каналов.
Новые технологии телекоммуникаций стали развиваться в связи с
переходом от аналоговых к цифровым методам передачи данных, основанных на
импульсно-кодовой модуляции (ИКМ) и мультиплексировании с временным
разделением каналов. В плезиохронной цифровой иерархии PDH мультиплексор
сам выравнивает скорости входных потоков путем добавления нужного числа
выравнивающих бит в каналы с меньшими скоростями передачи. Отсюда следовали
недостатки PDH - невозможность вывода потока с меньшей скоростью из потока
с большей скоростью передачи без полного демультиплексирования этого потока
и удаления выравнивающих бит. Недостатки PDH вызвали необходимость в
разработке синхронной цифровой иерархии SDH, которая позволила
вводить/выводить входные потоки без необходимости проводить их
сборку/разборку и систематизировать иерархический ряд скоростей передачи
[1].
SDH имеет следующие преимущества перед PDH :
- упрощение сети, вызванное возможностью вводить/выводить цифровые
потоки без их сборки или разборки как в PDH;
- помехозащищенность - сеть использует волоконно-оптические кабели
(BOК), передача по которым практически не подвержена действию
электромагнитных помех;
- выделение полосы пропускания по требованию - этот сервис теперь может
быть предоставлен в считанные секунды путем переключения на другой
(широкополосный) канал;
- прозрачность для передачи любого трафика - факт, обусловленный
использованием виртуальных контейнеров для передачи трафика,
сформированного другими технологиями, включая самые современные
технологии Frame Relay, ISDN и ATM;
- универсальность применения - технология используется для создания
глобальных сетей или глобальной магистрали и для корпоративной сети,
объединяющей десятки локальных сетей;
- простота наращивания мощности - при наличии универсальной стойки для
размещения аппаратуры переход на следующую более высокую скорость
иерархии можно осуществить просто вынув одну группу функциональных
блоков и вставив новую (рассчитанную на большую скорость) группу
блоков.
SDH позволяет организовать универсальную транспортную систему,
охватывающую все участки сети и выполняющую функции как передачи
информации, так и контроля и управления. Она рассчитана на
транспортирование всех сигналов PDH, а также всех действующих и
перспективных служб, в том числе и широкополосной цифровой сети с
интеграцией служб (ISDN), использующей асинхронный способ переноса (АТМ).
Линейные сигналы SDH организованы в так называемые синхронные
транспортные модули STM (Synchronous Transport Module) (Табл. 1.1). Первый
из них - STM-1 - соответствует скорости передачи информации 155 Мбит/с.
Каждый последующий имеет скорость в 4 раза большую, чем предыдущий, и
образуется побайтным синхронным мультиплексированием. В настоящее время
эксплуатируются или разрабатываются SDH системы со скоростями,
соответствующими окончательной версии SDH иерархии: STM-1, STM-4, STM-16,
STM-64, STM-256 или 155,52, 622,08, 2488,32, 9953,28, 39813,12 Мбит/с. Три
первых уровня (называемых по-старому первым, четвертым и шестнадцатым) были
стандартизованы в последней версии ITU-T Rec. G.707 [2].
Таблица 1.1.
|Уровень |Модуль |Скорость передачи |
|1 |STM-1 |155,52 Мбит/с |
|4 |STM-4 |622,08 Мбит/с |
|16 |STM-16 |2488,32 Мбит/с |
|64 |STM-64 |9953,28 Мбит/с |
|256 |STM-256 |39813,12 Мбит/с |
Мультиплексирование STM-1 в STM-N или STM-N в STM-4*N осуществляется
непосредственно по схеме: [pic]. Увеличение скорости передачи приводит к
уменьшению длительности импульсного сигнала. Т.к. при распространении по ОВ
происходит «размывание» (см. п. 3.2.) и «наплывание» импульсов друг на
друга, при слишком длинной ВОЛС приемник излучения уже не может распознать
отдельные импульсы. В результате усиливаются требования к ВОЛС по
дисперсии, которая и определяет увеличение длительности.
1.2. Методы мультиплексирования информационных потоков
Существует несколько способов увеличения пропускной способности
систем передачи информации. Большинство из них сводится к одному из методов
уплотнения компонентных информационных потоков в один групповой, который
передается по линии связи. Поскольку большинство из методов уплотнения
находит широкое применение в современных системах связи, рассмотрим каждый
из них.
1.2.1. Метод временного мультиплексирования (ТDМ)
В настоящее время метод временного уплотнения информационных потоков
(TDM — Time Division Multiplexing) является наиболее распространенным. Он
применяется при передаче информации в цифровом виде. Суть его состоит в
следующем. Процесс передачи разбивается на ряд временных циклов, каждый из
которых в свою очередь разбивается на N субциклов, где N — число
уплотняемых потоков (или каналов). Каждый субцикл подразделяется на
временные позиции, т.е. временные интервалы, в течение которых передается
часть информации одного из цифровых мультиплексируемых потоков. Кроме того,
некоторое число позиций отводится для идентификационных синхроимпульсов,
вставок и цифрового потока служебной связи.
Метод временного уплотнения подразделяется на два вида — асинхронное
или плезиохронное, временное мультиплексирование (PDH, ATM) и синхронное
временное мультиплексирование (SDH). Современные технологии позволяют
обеспечить скорость передачи группового сигнала 10 Гбит/с (STM-64).
Несколько лет назад считалось, что это предел для электронных устройств
мультиплексирования. Однако, благодаря развитию новых электронных
технологий (полупроводниковые структуры на основе арсенида галлия,
микровакуумных элементов) уже созданы лабораторные образцы электронных
мультиплексоров для скорости 40 Гбит/с (STM-256), подготовленные для
серийного промышленного производства [3]. Научные исследования в этой
области продолжаются с целью дальнейшего увеличения скорости передачи.
1.2.2. Метод частотного уплотнения (FDM)
При частотном методе мультиплексирования (FDM — Frequency Division
Multiplexing) каждый информационный поток передается по физическому каналу
на соответствующей частоте — поднесущей fпн. Если в качестве физического
канала выступает оптическое излучение — оптическая несущая, то она
модулируется по интенсивности групповым информационным сигналом, спектр
которого состоит из ряда частот поднесущих, количество которых равно числу
компонентных информационных потоков. Частота поднесущей каждого канала
выбирается исходя из условия fпн ? 10fвчп, где fпн — частота поднесущей,
fвчп — верхняя частота спектра информационного потока. Частотный интервал
между поднесущими ?fпн выбирается из условия ?fпн ? fвчп.
На приемной стороне оптическая несущая попадает на фотодетектор, на
нагрузке которого выделяется электрический групповой поток, поступающий
после усиления в широкополосном усилителе приема на входы узкополосных
фильтров, центральная частота пропускания которых равна одной из поднесущих
частот [3].
В качестве компонентных потоков могут выступать как цифровые, так и
аналоговые сигналы, В настоящее время в кабельных системах передачи
частотное уплотнение применяется в многоканальном кабельном телевидении,
где для этой цели отведен диапазон частот 47 - 860 МГц, т.е. как метровый,
так и дециметровый диапазоны ТВ.
1.2.3. Уплотнение по поляризации (PDM)
Уплотнение потоков информации с помощью оптических несущих, имеющих
линейную поляризацию, называется уплотнением по поляризации (PDM —
Polarization Division Multiplexing). При этом плоскость поляризации каждой
несущей должна быть расположена под своим углом. Мультиплексирование
осуществляется с помощью специальных оптических призм, например, призмы
Рошона. Поляризационное мультиплексирование возможно только тогда, когда в
среде передачи отсутствует оптическая анизотропия, т.е. волокно не должно
иметь локальных неоднородностей и изгибов. Это одна из причин весьма
ограниченного применения данного метода уплотнения. В частности, он
применяется в оптических изоляторах, а также в оптических волоконных
усилителях, которые используются в устройствах накачки эрбиевого волокна
для сложения излучения накачки двух лазеров, излучение которых имеет
выраженную поляризацию в виде вытянутого эллипса [3].
1.2.4. Многоволновое мультиплексирование оптических несущих (WDM)
Решение задачи дальнейшего роста пропускной способности ВОСП путем
увеличения скорости передачи при помощи TDM ограничивается не только
технологическими сложностями при электронном временном уплотнении, но и
ограничениями, вызванными временной (хроматической) дисперсией оптических
импульсов в процессе их распространения в ОВ. Это наглядно видно из
сопоставления допустимых величин хроматической дисперсии для систем
передачи STM-16 и STM-64 соответственно: 10500 пс/нм и 1600 пс/нм и
поляризационной модовой дисперсии — 40 пс и 10 пс.
Указанная выше задача успешно решается с помощью оптического
мультиплексирования с разделением по длинам волн — WDM (Wavelength Division
Multiplexing). Суть этого метода состоит в том, что m информационных
цифровых потоков, переносимых каждый на своей оптической несущей на длине
волны ?m и разнесенных в пространстве, с помощью специальных устройств —
оптических мультиплексоров (ОМ) — объединяются в один оптический поток
?1..?m, после чего он вводится в оптическое волокно. На приемной стороне
производится обратная операция демультиплексирования. Примерная структурная
схема такой системы с WDM представлена на рис. 1.1.
Оптические параметры систем WDM регламентируются рекомендациями, в
которых определены длины волн и оптические частоты для каждого канала.
Согласно этим рекомендациям, многоволновые системы передачи работают в 3-ем
окне прозрачности ОВ, т.е. в диапазоне длин волн 1530-1565 нм. Для этого
установлен стандарт длин волн, представляющий собой сетку оптических
частот, в которой расписаны регламентированные значения оптических частот в
диапазоне 196,1-192,1 ТГц с интервалами 100 ГГц и длины волн - 1528,77-
1560,61 нм с интервалом 0,8 нм. Стандарт состоит из 41 длины волны, т.е.
рассчитан на 41 спектральный канал. Но на практике используется 39 каналов
из представленной сетки частот, поскольку два крайних не используются, так
как они находятся на склонах частотной характеристики оптических
усилителей, применяемых в системах WDM.
Рис. 1.1. Простейшая структурная схема системы передачи WDM.
В последнее время установилась четкая тенденция уменьшения частотного
интервала между спектральными каналами до 50 ГГц и даже до 25 ГГц, что
приводит к более плотному расположению спектральных каналов в отведенном
диапазоне длин волн (1530-1565 нм). Такое уплотнение получило название
DWDM. Очевидно, что DWDM вызвано стремлением увеличить количество
передаваемых каналов. Отметим также, что в настоящее время аббревиатура
DWDM закрепилась и для систем с многоволновым уплотнением, у которых
частотный интервал между каналами равен 100 ГГц.
В настоящее время в оборудовании систем связи с DWDM, рассчитанных
для передачи до 32-х каналов, ряд фирм применяет длину волны 1510 нм, а
некоторые — 1625 нм. Но с увеличением количества передаваемых каналов до
128 и более возникает необходимость освоения более длинноволновой части
оптического спектра, в частности L-диапазона (или 4-е окно прозрачности
ОВ), в который будет входить длина волны 1625 нм.
Создание систем передачи DWDM потребовало разработки целого ряда как
активных, так и пассивных квантовых и оптических элементов и устройств с
высокостабильными параметрами. Сюда относятся полупроводниковые лазеры с
узкой спектральной шириной линии излучения (менее 0,05 нм) при стабильности
не хуже ± 0,04 нм. Волоконно-оптические усилители должны иметь стабильный
коэффициент усиления, малую неравномерность коэффициента усиления, (< ± 0,5
дБ) во всем спектральном диапазоне усиления и ряд других характеристик.
Среди пассивных элементов наиболее ответственными являются оптические
мультиплексоры/ демультиплексоры для большого количества каналов при работе
в одном окне прозрачности (1530-1565 нм). Расстройка по длине волны этих
элементов не должна превышать 0,05 нм. Такая стабильность обеспечивается
жесткой температурной стабилизацией этих элементов с точностью не хуже ±
1°С. Все это резко повышает стоимость систем DWDM.
Глава 2. Основные сведения о ВОЛС
В волоконно-оптических системах передачи (ВОСП) информация передается
электромагнитными волнами высокой частоты, около 200 ТГц, что соответствует
ближнему инфракрасному диапазону оптического спектра 1500 нм. Волноводом,
переносящим информационные сигналы в ВОСП, является оптическое волокно
(ОВ), которое обладает важной способностью передавать световое излучение на
большие расстояния с малыми потерями. Потери в ОВ количественно
характеризуются затуханием. Скорость и дальность передачи информации
определяются искажением оптических сигналов из-за дисперсии и затухания.
Волоконно-оптическая сеть - это информационная сеть, связующими элементами
между узлами которой являются волоконно-оптические линии связи. Технологии
волоконно-оптических сетей помимо вопросов волоконной оптики охватывают
также вопросы, касающиеся электронного передающего оборудования, его
стандартизации, протоколов передачи, вопросы топологии сети и общие вопросы
построения сетей.
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:
- широкополосность оптических сигналов, обусловленная чрезвычайно
высокой частотой несущей [pic]Гц. Это означает, что по оптической
линии связи можно передавать информацию со скоростью порядка
[pic]бит/с (1Тбит/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 оптическом волокне. Лучшие образцы российского волокна
имеют затухание 0,22 дБ/км на длине волны 1,55 мкм, что позволяет
|
