Способы защиты от вибрации и шума

ВВЕДЕНИЕ

Мультиплексирование с разделением по длине волны (Wavelength Division Multiplexing, WDM), называемое также волновым мультиплексированием или спектральным уплотнением, напоминает хорошо известное мультиплексирование с частотным разделением каналов, но только выполняемое в оптической среде передачи. Развитием этой технологии стало "плотное" WDM (dense WDM, DWDM).

Технология WDM была предложена в 1980 года Дж. П. Лауде (компания Instruments SA) и сначала её применение ограничивалось сферой междугородной телефонной связи и телевещания. Перспективы её распространения стали более радужными после кардинального изменения ситуации на американском рынке телекоммуникационных услуг связи (в середине 90-х гг.). Прежде линии связи использовались главным образом для транспортировки голоса, теперь же значительную часть передаваемого по ним трафика составляют данные, объем которых растет опережающими темпами. Особенно быстро, на 80-100% в год, увеличивается объем трафика Internet, причем этот процесс приобрел труднопрогнозируемый характер.

В настоящее время WDM играет для оптических синхронных систем ту же роль, что и мультиплексирование с частотным разделением МЧР (FDM) для аналоговых систем передачи данных. По этой причине системы с WDM часто называют системами оптического мультиплексирования с частотным разделением ОМЧР (OFDM). Однако по сути своей эти технологии (FDM и OFDM) существенно отличаются друг от друга. Их отличие состоит не только в использовании оптического (OFDM) или электрического (FDM) сигнала.

1 ОБЩАЯ ЧАСТЬ

1.1 Рост потребностей  в передаче информации

За последние годы многократно выросли потребности людей в обмене информацией. Во много раз увеличилась скорость сетей передачи данных и их географический охват. Быстрая и надежная передача видео, голоса и данных приобрела исключительную важность для развития многих сторон жизни современного человека, государственного управления, промышленности и общества в целом. Потребность в увеличении пропускной способности каналов связи наиболее остро ощущается в Северной Америке, Европе и Азии и постоянно растет во всем мире.

В конце 1990-х годов объемы передачи информации по международным сетям связи многократно возросли за счет такого феномена, как Интернет. Интернет долго ждал своего часа, обеспечивая передовые для своего времени услуги связи военным и научно-исследовательским организациям. Когда появилась всемирная сеть World Wide Web и широкая публика получила доступ к неисчерпаемым объемам информации в Интернете, его способность поглощать практически любую доступную полосу пропускания стала очевидной. Последовавший рост пропускной способности каналов связи намного превысил самые смелые прогнозы.

Оптическое волокно оказалось именно той средой передачи, которая смогла справиться с этими огромными потоками информации. В первое время для деления громадной полосы пропускания отдельного волокна на выделенные каналы связи применялось временное мультиплексирование TDM (Time Division Multiplexing). Однако рост сложности оборудования для модуляции и мультиплексирования при увеличении скоростей передачи данных ограничил применения этой технологии. Дальнейшее увеличение полосы пропускания смог обеспечить альтернативный подход - волновое мультиплексирование WDM (Wavelength Division Multiplexing).

1.2 Появление  технологии WDM

Рост объема передаваемых данных постепенно привел к исчерпанию пропускной способности существующего оптического волокна, со всей остротой поставив вопрос ее увеличения. Его можно решить тремя способами: проложив новый кабель, перейдя к более производительной аппаратуре временного мультиплексирования или применив WDM.

Недостатки первого сценария очевидны. Реализация второго варианта в сетях дальней связи SONET/SDH тоже связана с рядом трудностей. До недавнего времени в таких сетях самым быстрым был канал OC-48/STM-16 (скорость передачи 2,4 Гбит/с). Затем началось внедрение аппаратуры уровня OC-192/STM-64, обеспечивающей производительность 10 Гбит/с, однако проложенное волокно изначально не было рассчитано на столь высокие скорости передачи.

Во-первых, при таких скоростях существенную роль начинают играть отражения сигнала от мест соединения кабелей и поляризационная модовая дисперсия, вызванная отклонением поперечного сечения волокна от круговой формы. Для компенсации дисперсии прокладываются отрезки волоконно-оптического кабеля с дисперсией противоположного знака. Во-вторых, с ростом скорости передачи усиливается затухание (рассеяние) светового потока и ухудшается чувствительность фотоприемника, т. е. увеличивается минимальная мощность входного сигнала, при которой частота появления ошибок (BER) соответствует определенному пределу. Чтобы обеспечить достаточную мощность принимаемого сигнала, приходится устанавливать дополнительные усилители и регенераторы.

Таким образом, планируя переход к канальным скоростям 10 Гбит/с и более, необходимо проанализировать ограничения, обусловленные искажениями сигнала в волокне и техническими возможностями аппаратуры. Многие специалисты сомневаются в том, что в ближайшие годы временное мультиплексирование (например, SONET/SDH) сможет на практике превзойти уровень 10 Гбит/с.

Теперь рассмотрим третий вариант - технологию WDM, позволяющую заметно повысить эффективность использования суммарной пропускной способности оптического волокна.

Рис.1.1 Рабочие диапазоны оптического волокна

Напомним, что обычное оптическое волокно имеет три окна прозрачности в инфракрасной области; их центральные длины волн равны 850, 1300 и 1550 нм. Для передачи на большие расстояния используются только диапазоны 1300 и 1550 нм, характеризующиеся минимальным затуханием сигналов (рис. 1.1).

Ширина каждого из этих двух диапазонов составляет 200 нм, что в сумме приблизительно эквивалентно частотному интервалу в 60 ТГц. При оценке пропускной способности волоконно-оптического канала обычно принимают, что на каждые 1 Гбит/с требуется 2 ГГц полосы пропускания. При таком подходе 60 ТГц становятся эквивалентными пропускной способности 30 Тбит/с, однако не учитываются ограничения приемо-передающей аппаратуры, которая формирует канал передачи данных. Если, например, время срабатывания фотоприемника равно 1 нс, то скорость передачи трафика по каналу не превысит 1 Гбит/с, какой бы широкой ни была полоса пропускания волокна. Пропускная способность канала определяется такими характеристиками приемо-передающих устройств, как максимально достижимая скорость модуляции передатчика и способность фотоприемника быстро и точно распознавать биты данных. Сегодня скорость передачи по каналу дальней связи, на которую может рассчитывать пользователь, составляет около 2,4 Гбит/с, а в отдельных случаях - 10 Гбит/с. Это означает, что из 60 ТГц потенциальной полосы пропускания канала на практике используется не более 20 ГГц. Если же разделить общую полосу пропускания на множество частотных каналов, скорость передачи каждого из которых сохранится на прежнем уровне, то объем данных, передаваемых по волокну в единицу времени, увеличится. Именно этот подход реализован в технологии WDM.

1.3 Промышленные WDM-системы

Сейчас все еще применяются WDM-системы первого поколения, мультиплексирующие два канала с несущими 1310 нм и 1550 нм. Кроме того, как уже упоминалось, они предлагаются в качестве опций при поставке ряда коммерческих систем SDH/SONET. Эксплуатируется и достаточное количество четырех- и восьмиканальных систем, например T31-BDX фирмы Pirelli и WL8 компании Siemens, которые условно можно отнести к системам второго поколения Бурное развитие WDM/DWDM-систем пришлось на 1997-1998 гг., когда были разработаны системы третьего поколения, основанные на стандартизированном канальном плане и имеющие минимум 16 каналов. Сегодня начинается их повсеместное внедрение.

Изготовителей соответствующего оборудования можно разделить на две группы: фирмы, традиционно выпускающие системы PDH/SDH и сопутствующие устройства (Lucent, NEC, Nokia, Nortel, Pirelli, Siemens) и "новые" производители (ADVA, Cambrian, в настоящее время принадлежащая компании Nortel, Ciena, Eonyx, IBM, Osicom). Первые разрабатывали WDM-системы как транспортные средства для глобальных сетей SDH/SONET, вторые - как транспортные средства для локальных или, в крайнем случае, городских сетей, что видно по набору логических интерфейсов, используемых для преобразования форматов сигналов на входе и выходе WDM-систем.

У наиболее продвинутых компаний первой группы общая емкость систем в расчете на одно волокно составляет в настоящее время 160-400 Гбит/с, что превышает аналогичный показатель для систем производителей второй группы. Лидерами здесь являются фирмы Alcatel и Lucent (400 Гбит/с).

Представители второй группы предлагают, как правило, более простые и дешевые решения, рассчитанные на использование одной секции (или одного перекрытия в секции) и не имеющие возможности оптического ввода/вывода отдельных каналов на промежуточных узлах (в силу отсутствия последних). Однако они могут иметь больше логических интерфейсов, позволяют работать с пакетами различных форматов (ATM, Ethernet, включая Fast Ethernet и Gigabit Ethernet, FDDI) и широко применяют интерфейсы Fibre Channel и ESCON. Среди таких систем нельзя не упомянуть удачные разработки компаний Cambrian, IBM, Osicom и Ciena. Система Sentry последней фирмы выделяется не только по расстоянию, перекрываемому ее секцией (500-800 км), но и по числу задействуемых каналов (40).

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.

В ряде случаев существует несколько вариантов заказных спецификаций, на что следует обращать особое внимание. Так, схема размещения каналов в поддиапазонах B и R может зависеть как от числа каналов, реализуемых данной WDM-системой, так и от конструктивных особенностей оборудования и поддержки дуплексных или полудуплексных каналов. Например, оборудование компании ECI позволяет комплектовать 16-канальную систему как дуплексную (2х16), размещая по 16 каналов в поддиапазонах B и R (ширина зазора между ними - восемь каналов), или как полудуплексную (1х16), размещая 16 каналов в двух поддиапазонах (без зазора и возможности модернизации в вариант 2х16) либо в одном из поддиапазонов (с возможностью модернизации в вариант 2х16).

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.

Интересно отметить, что продукт WL4 компании Siemens использует SDH-мультиплексор типа SMA256, работающий на скорости 40 Гбит/с и реализованный на электронных компонентах (применена электронная система мультиплексирования ETDM, а не оптическая OTDM), что позволяет добиться высокой общей емкости системы (160 Гбит/с) уже при

четырех каналах. Наличие данного мультиплексора позволяет надеяться, что в недалеком будущем увидит свет система WL32 общей емкостью потока 1,28 Тбит/с в одном волокне - если будут преодолены трудности с перекрытием оптических импульсов при таком сочетании высокой плотности каналов (разнос 100 ГГц) и значительной скорости потока в канале (40 Гбит/с).

Число каналов ввода/вывода. Реализовать ввод/вывод трибов (электрических или оптических), участвующих в схеме первичного электрического или оптического SDH-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 опция 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.

Топология. В порядке возрастания сложности в WDM-системах могут быть реализованы следующие топологии: "точка-точка" без возможности ввода/вывода трибов SDH; линейная цепь с возможностью ввода/вывода трибов SDH; "звезда" или "точка-много точек", реализуемые с помощью концентратора; "кольцо" (одинарное без защиты, двойное с защитой или счетверенное с полной дуплексной 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 предусилители) и длинными (500-700 км; состоят из нескольких участков перекрытия и, как правило, содержат мощный усилитель-бустер, несколько линейных усилителей и предусилитель). 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 для взаимодействия с сетями разных типов.

Канал управления. Имеется в виду оптический канал супервизорного управления. Этот канал организуется на дополнительной оптической несущей, которая лежит за пределами фактически используемой полосы. В то же время он может принадлежать полосе, занимаемой стандартизированным канальным планом, либо соответствовать некоторым стандартным (но не применяемым для основной полосы) несущим или частотам накачки лазеров в оптических усилителях.

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.

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. Эта величина используется для проверки способности системы (секции) перекрывать определенную дистанцию. 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 применить компенсаторы дисперсии.

Тем не менее уже эти данные позволяют получить представление о современном состоянии соответствующего сектора телекоммуникационной индустрии и спрогнозировать его стремительное развитие в ближайшие годы. 

1.4 Физические  особенности

1. Широкополосность оптических сигналов, обусловленная чрезвычайно высокой частотой несущей (Fo=10**14 Гц). Это означает, что по оптической линии связи можно передавать информацию со скоростью порядка 10**12 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.

2. 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.

1.5 Технические  особенности

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

2. 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.

3. 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.

4. Системы связи на основе оптических волокон устойчивы к электромагнитным помехам, а передаваемая по световодам информация защищена от несанкционированного доступа. Волоконно-оптические линии связи нельзя подслушать неразрушающим способом. Всякие воздействия на волокно могут быть зарегистрированы методом мониторинга (непрерывного контроля) целостности линии. Теоретически существуют способы обойти защиту путем мониторинга, но затраты на реализацию этих способов будут столь велики, что превзойдут стоимость перехваченной информации.

Существует способ скрытой передачи информации по оптическим линиям связи. При скрытой передаче сигнал от источника излучения модулируется не по амплитуде, как в обычных системах, а по фазе. Затем сигнал смешивается с самим собой, задержанным на некоторое время, большее, чем время когерентности источника излучения.

При таком способе передачи информация не может быть перехвачена амплитудным приемником излучения, так как он зарегистрирует лишь сигнал постоянной интенсивности.

Для обнаружения перехватываемого сигнала понадобится перестраиваемый интерферометр Майкельсона специальной конструкции. Причем, видимость интерференционной картины может быть ослаблена как 1:2N, где N - количество сигналов, одновременно передаваемых по оптической системе связи. Можно распределить передаваемую информацию по множеству сигналов или передавать несколько шумовых сигналов, ухудшая этим условия перехвата информации. Потребуется значительный отбор мощности из волокна, чтобы несанкционированно принять оптический сигнал, а это вмешательство легко зарегистрировать системами мониторинга.

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

Есть в волоконной технологии и свои недостатки:

1. 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.

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

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

Преимущества от применения волоконно-оптических линий связи (ВОЛС) настолько значительны, что, несмотря на перечисленные недостатки оптического волокна, эти линии связи все шире используются для передачи информации.

1.6 Варианты  технической реализации

Первые мультиплексоры класса WDM использовались для мультиплексирования двух несущих из второго и третьего окон прозрачности - 1310 нм и 1550 нм, значительное расстояние между которыми позволяло обойтись без специальных фильтров для их разделения. Дальнейшие усилия, направленные на улучшение селективности (уменьшение разноса каналов) при использовании традиционной технологии оптических фильтров на базе дискретной оптики, привели к следующим результатам: разнос каналов 20-30 нм, переходное затухание между каналами 20 дБ, уровень вносимых потерь 2-4 дБ.

Это позволило с 1987 г. до середины 90-х гг. формировать не более четырех каналов во втором окне. В 1996-1998 гг. произошел существенный прорыв в технологии мультиплексирования, обусловленный, с одной стороны, переходом к интегральным оптическим технологиям, а с другой - миниатюризацией и повышением качества элементов традиционной дискретной оптики.

В настоящее время используются три конкурирующие технологии выделения каналов (демультиплексирования). Две из них, основанные на применении интегральной оптики (интегральных оптических микросхем), выделяют каналы с помощью волновых фильтров на решетке массива волноводов (Array Waveguide Gratings, AWG) либо вогнутой дифракционной решетки (Concave Gratings, CG);

третья, базирующаяся на миниатюрной дискретной оптике, выделяет их с помощью трехмерного оптического мультиплексирования (3-D Optics WDM).

1.7 Применение оптических  усилителей EFDA

Развитие технологии оптического усиления на основе EDFA сильно изменило методологию конструирования волоконно-оптических систем связи. Традиционные волоконно-оптические системы используют повторители-регенераторы, повышающие мощность сигнала. Когда длина между удаленными узлами начинает превосходить по условиям затухания сигнала максимальную допустимую длину пролета между соседними узлами, в промежуточных точках устанавливаются дополнительные регенераторы, которые принимают слабый сигнал, усиливают его в процессе оптоэлектронного преобразования, восстанавливают скважность, фронты и временные характеристики следования импульсов, и после преобразования в оптическую форму передают дальше правильный усиленный сигнал, в том же виде, в каком он был на выходе предыдущего регенератора. Хотя такие системы регенерации работают хорошо, они являются весьма дорогими и, будучи установленными, не могут наращивать пропускную способность линии.

На основе EDFA потери мощности в линии преодолеваются путем оптического усиления. В отличии от регенераторов, такое "прозрачное" усиление не привязано к битовой скорости сигнала, что позволяет передавать информацию на более высоких скоростях и наращивать пропускную способность до тех пор, пока не вступают в силу другие ограничивающие факторы, такие как хроматическая дисперсия и поляризационная модовая дисперсия. Также усилители EDFA способны усиливать многоканальный WDM сигнал, добавляя еще одно измерение в пропускную емкость.

Хотя оптический сигнал, генерируемый исходным лазерным передатчиком, имеет вполне определенную поляризацию все остальные узлы на пути следования оптического сигнала, включая оптический приемник, должны проявлять слабую зависимость своих параметров от направления поляризации. В этом смысле оптические усилители EDFA, характеризуясь слабой поляризационной зависимостью коэффициента усиления, имеет ощутимое преимущество перед полупроводниковыми усилителями.

Рис.1.2  Оптические системы связи на основе: а) каскада регенерационных повторителей; б) каскада оптических усилителей EDFA

В отличии от регенераторов оптические усилители вносят дополнительный шум, который необходимо учитывать. По этому наряду с коэффициентом усиления одним из важных параметров EDFA является коэффициент шума.

1.7.1 Классификация EDFA по способам применения

В зависимости от применения различают предварительные усилители, линейные усилители и усилители мощности, (рис. 1.3).

Предварительные усилители (предусилители) устанавливаются непосредственно перед приемником регенератора и способствуют увеличению отношения сигнал/шум на выходе электронного каскада усиления в оптоэлектронном приемнике. Оптические предусилители часто используются в качестве замены сложных и обычно дорогих когерентных оптических приемников.

Линейные усилители устанавливаются в промежуточных точках протяженных линий связи между регенераторами или на выходе оптических разветвителей с целью компенсации ослабления сигнала, которое происходит из-за затухания в оптическом волокне или из-за разветвления в оптических разветвителях, ответвителях, мультиплексорах WDM. Линейные усилители заменяют оптоэлектронные повторители и регенераторы в тех случаях, когда нет необходимости в точном восстановлении сигнала.

Усилители мощности (бустеры) устанавливаются непосредственно после лазерных передатчиков и предназначены для дополнительного усиления сигнала до уровня, который не может быть достигнут на основ лазерного диода. Бустеры могут также устанавливаться перед оптическим разветвителем, например при передаче нисходящего трафика в гибридных волоконно-коаксиальных архитектурах кабельного телевидения.

Рис.1.3 Применение разных типов оптических усилителей

В табл.1.1 указана степень значимости параметров EDFA в зависимости от типа усилителя.

Таблица 1.1 Сравнительный анализ параметров трех типов EFDA