Проектирование магистральной волоконно-оптической системы передачи с повышенной пропускной способностью

Аннотация
Дипломный проект посвященвопросу проектирования магистральной волоконно-оптической системы передачи сповышенной пропускной способностью.
Разработана методикапроектирования магистральных ВОСП, на ее основе произведен расчет магистралиЕкатеринбург – Хабаровск. Проведены выбор и обоснование аппаратуры,экспериментально исследованы основные параметры проектируемой системы передачи.

Annotation
The Degree project isdedicated to question of the designing the main fiber-optic system of the issuewith raised by reception capacity.
The Designed methods ofthe designing main VOSP, on her(its) base is made calculation to pathwaysEkaterinburg — a Khabarovsk. The Organized choice and motivation of theequipment, experimental explored main parameters of the designed system of theissue.

Содержание
Введение
1. Технико-экономическое обоснование
1.1 Обзор методов повышенияпропускной способности магистральной ВОСП
1.1.1 Анализ путей решения поставленной задачи
1.1.2 Методы повышения пропускной способности ВОСП
1.2 Краткая характеристика метода WDM
1.2.1 Принцип спектрального уплотнения (WDM)
1.2.2 Классификации систем со спектральным уплотнением
1.3 Технологии передачи информации в ОЛС
1.3.1 Обзор современных цифровых технологий передачи информации на глобальных сетях связи
1.3.2 Краткое описание выбранной технологии
2. Теоретическая часть – расчет параметров ОЛТ ВОСП с WDM
2.1 Структура ОЛТ ВОСП с WDM
2.2 Расчет параметров КЭМ передачи и приема
2.2.1 Выбор типа источника излучения и фотоприемника
2.2.2 Расчет параметров КЭМ передачи и приема
2.3 Оценка параметров оптического волокна
/>/>/>2.3.1 Выбор рабочей длины волны
2.3.2 Расчет пропускной способности ОВ
2.3.3 Выбор метода модуляции оптической несущей
2.3.4 Расчет параметров передачи оптических волокон
2.3.5 Расчет параметров ЭКУ ВОЛП
3. Техническая часть
3.1 Разработка структурной схемы
3.2 Разработка функциональной схемы
3.2.1 Разработка функциональной схемы опорного пункта
3.2.2 Разработка аппаратуры ОЛТ
3.2.3 Разработка аппаратуры выделения и транзита цифровых потоков
3.3 Выбор оборудования магистральной ВОСП
3.3.1 Выбор оборудования WDM
3.3.2 Результаты сравнения систем передачи информации
4. Экспериментальная часть — измерение параметров ПОМ
4.1 Исследование зависимости мощностиоптического передатчика от температуры
4.2 Исследование влияния затухания ВОЛСна скорость передаваемой информации при различнойтемпературе окружающей среды
4.3 Глазковые диаграммы
5. Конструктивно-технологическая часть
5.1 Выбор и обоснование конструкции эрбиевого усилителя
5.2 Процесс изготовления и сборки прибора EDFA
6. Экономическая часть
6.1 Составление плана-графика разработки (календарный план)2
6.2 Составление смет затрат на разработку
6.3 Расчет цены НИР
6.4 Расчет и выводы по эффективности предложений
7. Безопасность и экологичность проекта
7.1 Безопасность при работе с оптическим кабелем
7.2 Пожарная безопасность
7.3 Экологичность проекта
Заключение
Библиографический список
Приложение

Введение
В настоящее время системысвязи стали одной из основ развития общества. Рост потребностей в передачеинформации привлек к тому что в конце 1990-хгодов объемы передачи информации по международным сетям связи многократновозросли за счет такого феномена, как Интернет. Последовавший рост пропускнойспособности каналов связи намного превысил самые смелые прогнозы (рис. В.1).
/>
Это предъявляет новыетребования к современным сетям связи, их пропускной способности. Общепризнанно,что удовлетворить потребности человеческого общества в передаче информацииможно только на основе волоконно-оптических систем связи (ВОЛС).
К основным преимуществамВОЛС относятся: высокая помехоустойчивость; слабая зависимость качествапередачи от длины линии; стабильность параметров каналов ВОСП; возможностьпостроения цифровой сети связи; и самое главное — высокие технико-экономическиепоказатели.
Многоканальныеволоконно-оптические системы передач (ВОСП) широко используются намагистральных и зоновых сетях связи страны, а также для устройствасоединительных линий между городскими АТС. Объясняется это тем, что по ОВобладает очень широкой полосой пропускания. Особенно эффективны и экономичныподводные солитонные оптические магистрали.
Исходя из вышесказанного,можно сформулировать цель выпускной работы, которая заключается впроектировании магистральной ВОСП повышенной пропускной способности.
Для достиженияпоставленной цели требуется решение следующих задач:
· найти наиболееэффективный метод увеличения пропускной способности;
· подобратьтелекоммуникационную технологию, в рамках которой будет работать магистральнаясистема передачи;
· выбрать ирассчитать параметры элементов ОЛТ;
· разработатьструктурную и функциональную схемы системы передачи, приемника, передатчика ииспользуемого ретранслятора;
· экспериментальнооценить основные параметры созданной линии;
Решение отмеченных вышезадач позволяет достичь поставленной цели, а именно, — разработки методикипроектирования магистральной ВОСП повышенной пропускной способности.
Актуальность темывыпускной работы может быть обоснована следующими фактами. Во-первых,результаты работы могут быть использованы в учебном процессе при изучениидисциплины «Волоконно-оптические системы передачи» студентами связныхспециальностей. Во-вторых, материалы, опубликованные в учебниках носятразрозненный характер, и его систематизация и унификация является актуальнойзадачей. В-третьих, как известно, предполагается развитие NGN (next generation networks) сетей. В их основе лежат пакетныетехнологии, они могут опираться непосредственно на слой прозрачных оптических каналов.С помощью технологии спектрального уплотнения это легко реализуемо.
Таким образом, темадипломного проекта, заключающаяся в разработке методики проектированиямагистральной ВОСП повышенной пропускной способности, является актуальной.

1. Технико-экономическоеобоснование
 
Поставленная в рамкахдиплома задача проектирования магистральной волоконно-оптической системыпередачи информации с повышенной пропускной способностью связана прежде всего сбурным развитием волоконно–оптических технологий сегодня.
На сегодняшний день вРоссии построены две крупнейшие магистральные SDH – сети (Ростелеком,ТрансТелеКом), которые охватывают большую часть территории России. Такжепостроена DWDM сеть Ростелекома, позволившая значительно увеличить пропускнуюспособность существующей SDH — сети.
Уровень загрузкироссийских магистральных сетей иногда или зачастую далек от проектного. Вбольшинстве городов России оптических каналов немного, но даже их емкостьиспользуется далеко не полностью. А в Москве, наоборот, при большой загрузкелиний пока очень много свободной оптики. Загрузка существующих SDH — сетей нанекоторых участках близка к максимальной (на тот момент уровень 2,5 Гбит/с). Нозагруженность тоже зависит только от конкретных операторов и направления. Ростмирового трафика передачи данных составляет около 30% в год. Сети SDHмагистральных операторов заполнены на 60-90% и давно требуют расширения. Ужеразвернутые единичные DWDM-сети загружены на 2% от теоретически возможного.
Перспективы развитиямагистральных сетей в нашей стране сопряжены с решениями «последней мили»в различных сценариях. Тенденция развития магистральных сетей в нашей стране неотличается от мировой практики. Магистральные линии будут строиться наоборудовании DWDM, а для построения городских транспортных сетей использоватьсямультисервисные SDH-платформы с поддержкой IP. Без магистрали нет и сети,поэтому перспективы очень значительные.
Обоснованиереконструкции магистральной ВОЛС. На участке Екатеринбург — Хабаровск проложенволоконно-оптический кабель Fujikura OGNMLJFLAP-WAZE SM•10/125x8C тип 3, покоторому осуществляется работа цифровой системы передачи (ЦСП) уровня STM-4,обеспечивающей передачу информации со скоростью 622,08 Мбит/с.
Используемая в настоящеевремя ЦСП не удовлетворяет растущим потребностям клиентов в пропускнойспособности волоконно-оптической линии связи. Так как объем передаваемойинформации постоянно возрастает, необходимо максимально увеличить пропускнуюспособность.
При выполнениидипломного проектирования поставлены следующие задачи:
1. изучитьконструкцию и параметры магистральной ВОЛС
Екатеринбург — Хабаровск;
2. оценитьвозможность увеличения пропускной способности
существующеймагистральной ВОЛС Екатеринбург — Хабаровск;
3. изучить возможныеварианты реконструкции ВОЛС и выделить
наиболее эффективный;
4. спроектироватьмагистральную ВОСП повышенной пропускной способности для участка Екатеринбург –Хабаровск ВСС РФ.
Проектированиемагистральной ВОСП повышенной пропускной способности позволит достичь всех целей,о которых говорилось выше и поднять транспортную систему нашей страны на новыйуровень в передачи трафика на большие расстояния. В дальнейшем можно будет какугодно расширять ее возможности, усовершенствовать и перейти на использованиеотечественных комплектующих, что, безусловно, является экономически выгодным.

1.1Обзор методов повышения пропускной способностимагистральной ВОСП
1.1.1Анализ путей решения поставленной задачи
Постановказадачи следующая: необходимо в несколько раз повысить пропускную способностьмагистральной ВОЛС Екатеринбург — Хабаровск.
Рассмотрим подробнее, чтособой представляет стандартная ВОСП. На рис. 1.1. изображена многоканальнаяВОСП, состоящая из передающей стороны (Пер.), линейного оптического тракта(ЛОТ), оптических усилителей (ОУ) и приемной стороны (Пр.). Оптический линейныйтракт может содержать усилители и регенераторы оптического сигнала.
/>
Рис.1.1.Структурная схема многоканальнойВОСП
Ресурс ОК по пропускнойспособности определяется произведением числа волокон на число оптическихканалов и на предельную скорость в каждом канале при данной протяженностиучастка линии передачи:
C=Nов*Nопт.кан.*Vпред, где:
· C – пропускная способность ВОСП;
· Nов – количество ОВ в ОК, определяетсяконструкцией ОК, для максимального повышения пропускной способности даннаявеличина должна быть большой;
· Nопт.кан. – количество оптических каналов – количествооптических несущих, передаваемых по технологии WDM, на момент рассмотрения Nопт.кан=32, в последствии уточним;
· Vпред – предельная скорость передачи поОВ, определяется уровнем SDH, предполагаетсяпереход на максимальный уровень STM-256(40 Гбит/с).
Есть важная особенность,которую необходимо отметить, это то, что помимо учета предельной скоростипередачи, и количества оптических каналов, передаваемых в ОВ, необходиморазобраться, сколько ОЦК (64кбит/с) можно передать по этой ВОЛС, и как этимчислом можно варьировать, при этом используя его для других приложений.
C помощью рассматриваемой ВОСПпроизводится передача NИСХ каналов ОЦК. Необходимо добиться NППС каналов – количество каналов приповышенной пропускной способности, то есть: NППС =k*NИСХ.
Исходя из того, что ужеспроектированы и введены в эксплуатацию ВОСП, у которых коэффициент k (k — коэффициент увеличения пропускной способности,соответственно увеличения числа каналов), принимает следующие значения: k=2,4,8,16,32…n, отсюда следует вывод, что k лежит примерно в следующем интервале: 1100. При этом возникает вопрос,какого порядка k необходимозадать, и какого порядка коэффициент k реально может получиться, к примеру: 10, 50, 100, 150 или 200.
Казалосьбы все просто, но на самом деле это не так, вопрос повышения пропускнойспособности требует основательного рассмотрения, так как передаваемые объемыинформации неукоснительно возросли и продолжают расти, что влечет за собой росткоэффициента k.
Насегодняшний день на главных магистралях страны стоят ВОЛС, использующиестандартное оптическое волокно (G.652). На них установлены системы с временнымуплотнением каналов (системы TDM — Time Division Multiplexing с полосойпропускания до 2,5Гбит/с). Увеличить пропускную способность таких систем можнопутем разработки и применения новых сверхбыстрых электронных систем модуляции,коммутации и приема лазерного излучения, что естественно приведет к заменеоконечного оборудования. Такие нововведения требуют больших материальных затратдля организаций занимающихся эксплуатацией и переоборудованием такого родалиний связи. Но для повышения пропускной способности одной лишь заменыоконечного оборудования недостаточно, потребуется еще и доустановка необслуживаемыхретрансляционных пунктов (НРП) и врезка всевозможных компенсаторов, а тем болеезамена кабеля, что в свою очередь довольно неэкономично.
Рассмотримсуществующие методы повышения пропускной способности магистральных ВОСП.
1.1.2 Методы повышенияпропускной способностимагистральнойВОСП
Метод временногомультиплексирования (TDM)
Суть TDM: процесс передачи разбивается на рядвременных циклов, каждый из которых в свою очередь разбивается на N субциклов,где N — число уплотняемых каналов. Каждый субцикл подразделяется на временныепозиции (тайм — слоты), в течение которых передается часть информации одного изцифровых мультиплексируемых потоков. Кроме того, некоторое число позицийотводится для идентификационных синхроимпульсов, вставок и цифрового потокаслужебной связи. При временном мультиплексировании каждому из информационныхканалов системы, имеющих общую оптическую несущую (один источник излучения),отводится определенный интервал времени или временное окно, для передачиинформации. В первый интервал времени оптическая несущая модулируется сигналомодного информационного канала, во второй — другого и т.д. Длительность этихинтервалов определяется различными факторами, главные — это скоростьпреобразования электрических сигналов в оптические и скорость передачиинформации в линии связи.
На передающей части стоитвременной мультиплексор, он устанавливает очередность и временной интервалпередачи информации на входе линии. На другом конце линии устанавливаетсядемультиплексор, определяющий номер канала, идентифицируя его (рис. 1.2).
Метод TDM подразделяется на два вида —асинхронное (плезиохронное) и синхронное временное мультиплексирование.Соответственно, плезиохронная цифровая иерархия PDH и синхронная SDH, которые представлены в рекомендациях МСЭ-Т.
/>
Рис. 1.2.Схема передачи оптических сигналовпо ВОЛС с временным мультиплексированием TDM
Структура первичной сети ВССРФ предопределяет объединение и разделение потоков передаваемой информации,поэтому используемые на ней системы передачи строятся по иерархическомупринципу. Применительно к ЦСП этот принцип заключается в том, что число каналовЦСП, соответствующее данной ступени иерархии, больше числа каналов ЦСПпредыдущей ступени в целое число раз. Первая ступень иерархии – первичная — осуществляетсяпрямое преобразование относительно небольшого числа первичных сигналов впервичный цифровой поток (ОЦК). ЦСП второй ступени объединяют определенноечисло ОЦК во вторичный цифровой поток и т.д.

/>
Рис. 1.3.Иерархии цифровых систем передач
 
Метод спектральногоуплотнения (WDM)
Метод WDM позволяет увеличить скорости передачиинформации в ВОЛС за счет одновременной передачи по одному волокну несколькихTDM каналов на различных длинах волн. В системах WDM к оконечному электронному оборудованию предъявляютсятакие же требования, как и в системах TDM, для остального оборудования пропускная способность ограничивается лишьсамими каналами. Полная пропускная способность линии связи не ограниченапропускной способностью используемых электронных компонентов. При необходимостинеобходимая пропускная способность достигается путем добавления/удаленияоптических несущих. Каждый канал электросвязи, образуемый ЦСП, обрабатывается всистеме WDM как отдельный канал на отдельнойдлине волны.
Суть этого метода состоитв том, что k информационных цифровых потоков, (ихколичество может быть 2, 4, 8, 32..i..k), переносимых каждый на своейоптической несущей на длине волны λm и разнесенных в пространстве, с помощью специальныхустройств — оптических мультиплексоров (ОМ) — объединяются в один оптическийпоток λ1..λm, после чего он вводится в оптическое волокно. На приемнойстороне производится обратная операция демультиплексирования (рис. 1.4).

/>
Рис. 1.4.Структурная схема ВОСП соспектральным мультиплексированием WDM с устройством ввода/вывода OADM(а — Мультиплексоры с устройствомввода/вывода, b — Оптические усилители, c — Оптические переключатели).
Здесь k входных потоков данных (кодированныхцифровых импульсных последовательностей) модулируют с помощью оптическихмодуляторов Mi оптические несущие с длинами волн λi. Модулированные несущие объединяются с помощьюмультиплексора Mux в агрегатный поток, который после усиления (с помощьюбустера или мощного усилителя – МУ) подается в ОВ. На приемном конце поток свыхода ОВ усиливается предварительным усилителем – ПУ, демультиплексируется,т.е. разделяется на составляющие потоки – модулированные несущие li, которыедетектируются с помощью детекторов Дi (на входе которых могут дополнительноиспользоваться полосовые фильтры Фi для уменьшения переходных помех иувеличения тем самым помехоустойчивости детектирования), и, наконец,демодулируются демодуляторами ДMi, формирующими на выходе исходные кодированныецифровые импульсные последовательности. Кроме МУ и ПУ в системе могут бытьиспользованы и линейные усилители (ЛУ).
Метод частотногоуплотнения (FDM)
При частотном методемультиплексирования FDM (FDM — Frequency Division Multiplexing) каждыйинформационный поток передается по физическому каналу на соответствующейчастоте — поднесущей ƒпн. Если в качестве физического канала выступаетоптическое излучение — оптическая несущая, то она модулируется по интенсивностигрупповым информационным сигналом, спектр которого состоит из ряда частотподнесущих, количество которых равно числу компонентных информационных потоков.Частота поднесущей каждого канала выбирается исходя из условия ƒпн ≥10ƒвчп, где ƒпн — частота поднесущей, ƒвчп — верхняя частотаспектра информационного потока. Частотный интервал между поднесущимиΔƒпн выбирается из условия Δƒпн ≥ ƒвчп. Наприемной стороне оптическая несущая попадает на фотодетектор, на нагрузкекоторого выделяется электрический групповой поток, поступающий после усиления вширокополосном усилителе приема на входы узкополосных фильтров, центральнаячастота пропускания которых равна одной из поднесущих частот.
Уплотнение по поляризации(PDM)
Уплотнение потоковинформации с помощью оптических несущих, имеющих линейную поляризацию,называется уплотнением по поляризации (PDM — Polarization DivisionMultiplexing). При этом плоскость поляризации каждой несущей должна бытьрасположена под своим углом. Мультиплексирование осуществляется с помощьюспециальных оптических призм, например, призмы Рошона. Поляризационноемультиплексирование возможно только тогда, когда в среде передачи отсутствуетоптическая анизотропия, т.е. волокно не должно иметь локальных неоднородностейи изгибов. Это одна из причин весьма ограниченного применения данного методауплотнения. В частности, он применяется в оптических изоляторах, а также воптических волоконных усилителях, которые используются в устройствах накачкиэрбиевого волокна для сложения излучения накачки двух лазеров, излучениекоторых имеет выраженную поляризацию в виде вытянутого эллипса.

Сравнение технологийпередачи информации
Целью сравнения являетсяисследование целесообразности применения методов волнового (WDM) и временного уплотнения (TDM) для увеличения пропускнойспособности ВОСП.
Сравнивать такие методыкак метод частотного уплотнения (FDM) иуплотнение по поляризации (PDM),нет необходимости в связи с тем что они не нашли применения для магистральныхсистем передачи.
WDM и TDM предусматривают объединение нескольких входныхнизкоскоростных каналов в один составной высокоскоростной канал. Но TDM технология работает на одной длиневолны, а WDM — на нескольких.
В связи с этимобстоятельством, для наращивания количества каналов по технологии TDM необходимо увеличивать скоростьпередачи по принципу STM-1в STM-N или STM-N в STM-4*N (иерархия SDH), а по технологии WDM — путем добавления новых оптическихнесущих λm а такжепутем уменьшения расстояния между несущими.
Рассмотрим, как с помощьюэтих технологий можно решить задачу увеличения пропускной способности в 4 раза:
· TDM: переход на следующую ступеньиерархии ЦСП по формуле 30*4*4*4*4, позволяет увеличить пропускную способность скаждой ступенью в 4 раза. При высокой скорости значительное влияние на качествопередачи оказывают такие характеристики ОВ, как поляризационная модовая дисперсияи хроматическая дисперсия. Возрастание сложности оконечного оборудования и повышениестоимости преокта.
· WDM: берутся k потоков TDM,модулируются по отдельности в оптические сигналы разной длины волны,объединяются с помощью оптического мультиплексора. Результат: пропускнаяспособность ВОСП увеличилась в k раз.Стоит отметить существенный положительный момент – отсутствие тех ограниченийпо дисперсии и другим показателям, которые были присущи при использовании технологииTDM.
Технология WDM может использоваться параллельно стехнологией TDM для повышения ее эффективности,оставляя практически без изменений большую часть имеющегося оборудования.
Сравнительныехарактеристики двух методов уплотнения представлены в Таблицах 1.1, 1,2 изкоторых видно, что метод спектрального уплотнения является наиболееэкономически выгодным по сравнению с временным методом уплотнения.
Таблица 1.1. Технические характеристикиПараметры Временное мультиплексирование Спектральное мультиплексирование Надежность Высокая Высокая Пропускная способность Высокая Очень высокая Коммутационные устройства Сложные Сложные Загруженность ОВ Средняя Высокая Объем аппаратуры Большой Средний
Таблица 1.2. Экономические характеристикиПараметры Временное мультиплексирование Спектральное мультиплексирование Стоимость оконечных пунктов Практически одинаковы Стоимость линейного тракта Средняя Средняя Стоимость канала Низкая Низкая Стоимость передачи информации Низкая Низкая
Стоимость аппаратурнойчасти системы WDM соизмерима со стоимостью аппаратуры TDM. В этом случае построениеразветвленной сети более эффективно при использовании спектрального уплотнения.Выделение составляющих цифровых потоков в промежуточных пунктах при временномуплотнении требует наличия большого объема оборудования, тогда как приспектральном уплотнении достаточно нескольких пассивных элементов (мультиплексорови демультиплексоров).
Обетехнологии WDM и TDM применяются для увеличения информационной пропускнойспособности ВОСП. Хотя они не исключают, а скорее дополняют друг друга, можносравнить такие их характеристики, как гибкость структуры линий связи, скоростьпередачи.
Гибкость структурылиний связи. ТехнологияTDM дает возможность передачи по линии связи каналов, разнородных по типупередаваемых данных, а также позволяет передать по ОК множество каналов, покоторым с различными скоростями передаются различные типы трафика, путемприменения различных способов распределения тайм-слотов. Они могут бытьпостоянно закреплены за определенными приложениями или выделяться по требованиюDAMA (Demand Assignment Multiple Access). Можно изменять продолжительностьтайм-слотов или полностью их исключить. В последнем случае данные передаются ввиде отдельных пакетов, каждый из которых включает адрес источника иотправителя (статистическое мультиплексирование). Несмотря на все этивозможности, технология TDM работает лучше всего, когда по всем логическимканалам передается один тип трафика, а все тайм-слоты имеют одинаковуюпродолжительность и постоянно закреплены за отдельными каналами. Этот варианттехнологии TDM достаточно прост в реализации и управлении, и егоэксплуатационные издержки также меньше.
В технологии WDM каналыполностью независимы, следовательно она дает большую гибкость, чем технологияTDM.
Скоростьпередачи. Втехнологии TDM пропускная способность увеличивается за счет увеличения скоростипередачи битов в линии связи. Скорость ограничивается лишь используемымиэлектронными компонентами. Получение данных, хранение, передача и т.д. — всеэто требует применение цифровых интегральных схем. Они должны работать соскоростью, равной или близкой к суммарной скорости передачи линии связи. Длякаждого канала должно быть установлено оборудование, поддерживающее полнуюпропускную способность линии связи.
ОборудованиеWDM в канале может поддерживать толькоскорость передачи по этому каналу, а не полную скорость составного сигнала. Такимобразом, полная пропускная способность линии связи не ограничена скоростьюработы используемых электронных устройств. Самую быструю линию связи TDM,которую только можно создать с использованием наиболее современной техники, всистеме WDM можно передавать как один из многих каналов. Даже после этогосравнения становится ясно, что технология WDM имеет неоспоримое преимущество перед остальнымимагистральными технологиями передачи информации.
Выводы.Укладкав линии связи новые ОК. Этот процесс сопряжен с необходимостью долгосрочногопланирования, больших капиталовложений и не всегда возможен. При использованиинового ОК с улучшенными техническими характеристиками появляются перспективыувеличения количества оптических каналов, увеличения предельной скоростипередачи, а также количества оптических волокон соответственно. Использованиеэлектроники с большим быстродействием (10Гбит/с, 40Гбит/с).При выбореаппаратуры придется стремиться использовать самые последние технологическиедостижения, предельная скорость передачи информации и количество передаваемойинформации в несколько раз увеличится, цена и качество не влияют на выбор. Переходот электронных компонент к полностью оптическим. В отличие от электронныхкомпонент, параметры большинства оптических компонент не зависят от скоростипередачи данных и для них прирост цены с увеличением битовой скорости будетнебольшим. Позволяет производить коммутацию на оптическом уровне безпреобразования сигнала. Применение новых технологий уплотнения каналов,например, по длинам волн (WDM – wavelength division multiplexing). Для этогодостаточно только заменить терминалы в линии с оптическими усилителями. Особеннопривлекателен последний подход к увеличению пропускной способностимагистральных сетей передачи данных, как наиболее перспективный, по сравнению сзаменой ОК и переходом на следующую ступень иерархии ЦСП.
 
1.2 Краткаяхарактеристика метода WDM
 
1.2.1 Принципспектрального уплотнения (WDM)
Потенциальные ресурсыволокна. Донастоящего времени на многих коммерческих линиях использовалась скоростьпередачи 622 Мбит/с, но необходим переход на более высокие скорости 2,5 Гбит/си выше.
 
Таблица 1.3. Зависимость затухания от длины волны
/>, мкм 0.85 1.3 1.55
/>, дБ/км 2..3 0.7..1.0 0.2..0.3
/>, км 10..15 30..40 70..100
Если обратиться ктретьему окну прозрачности (в нем самое минимальное затухание) шириной примерно140 нм на длине волны 1,55 мкм, то в нем можно разместить до 630 спектральныхканалов при разносе частот 24 ГГц и скорости передачи 2,5 Гбит/с в каждом.
Не принимая во вниманиедисперсию, рассмотрим потенциальные возможности волокна. Длина волны и частотасветового излучения связаны между собой формулой: />,/> где c – скорость света (3×108 м/с). Дифференцируя по l, получаем: />, аследовательно, окну Dlвокруг l0соответствует окно Dn, которое определяется по формуле: />. Если l0 = 1300 нм и Dl = 200 нм, то Dn » 35 ТГц, если же l0= 1550 нм и Dl = 200 нм, то Dn » 25 ТГц.
Наиболее подходящимявляется окно 1550 нм, поскольку в этом окне достигается минимальное затуханиесигнала до 0,2 дБ/км и достижение наибольшей длины ретрансляционного участка(таблица 1.3).
Несмотря на такие большиересурсы волокна, реализовать передачу на скорости 25 Тбит/с в настоящее времяневозможно, поскольку соответствующая частота модуляции пока недостижима.Однако есть другое очень эффективное решение, идея которого заключается вразделении всей полосы на каналы меньшей емкости. Каждый из таких каналов можноиспользовать под отдельное приложение. Эта технология известна как волновоеуплотнение или волновое мультиплексирование – WDM.
Рассмотрим подробнее третьеокно прозрачности 1550 нм,.
/>
Рис. 1.6.Третье окно прозрачности сразмещенными в нем WDMканалами
 
Технология WDM позволяетувеличить пропускную способность ОВ за счет добавления новых длин волн (WDM — каналов), разместив их в 3 окнепрозрачности. Единственное условие, которое необходимо выполнить – этоисключение перекрытий между спектральными каналами. Интервал между соседнимидлинами волн должен быть больше ширины спектра излучения. Современныеодномодовые лазеры с распределенным брегговским отражением – DBR лазеры – даютспектральную полосу меньше 0,1 нм. Так, при интервале 0,6 нм между соседнимидлинами волн в окне 1530-1560 нм, соответствующем рабочей области оптическогоусилителя EDFA, может разместиться около 40 длин волн – 40 каналов. Причем полосапропускания на каждый канал достигает 10 Гбит/с и более. Технически реализованыоптические передатчики на основе временного мультиплексирования – TDM,способные вводить в волокно оптический TDM сигнал с частотой 100 ГГц в расчетена один канал, в результате чего полная емкость одного волокна составляет 4Тбит/с (при 40 каналах волнового уплотнения). Но передать такой сигнал набольшие расстояния не просто. Одним из главных факторов, препятствующих этому,является дисперсия.
Затухание, дисперсия,полоса пропускания ОВ. Волокно характеризуется двумя важнейшими параметрами:затуханием и дисперсией. Чем меньше затухание (потери) и чем меньше дисперсияраспространяемого сигнала в волокне, тем больше может быть расстояние междурегенерационными участками или повторителями.
На затухание света вволокне влияют такие факторы, как: потери на поглощении, потери на рассеянии,кабельные потери.
Потери на поглощении и нарассеянии вместе называют собственными потерями, в то время как кабельныепотери в силу их природы называют также дополнительными потерями (рис. 1.7).
/>
Рис. 1.7.Основные типы потерь в волокне.
Полное затухание вволокне (измеряется в дБ/км) определяется в виде суммы:
a = aint + arad = aabs + asct + arad
Потери напоглощении aabs состоят как из собственных потерь вкварцевом стекле (ультрафиолетовое и инфракрасное поглощение), так и из потерь,связанных с поглощением света на примесях. Примесные центры, в зависимости оттипа примеси, поглощают свет на определенных (присущих данной примеси) длинахволн и рассеивают поглощенную световую энергию в воде джоулева тепла. Даженичтожные концентрации примесей приводят к появлению пиков на кривой потерь(рис. 1.8). Следует отметить характерный максимум в районе длины волны 1480 нм,который соответствует примесям OH-.Этот пик присутствует всегда. Область спектра в районе этого пика ввиду большихпотерь практически не используется.
Собственные потери напоглощении растут и становятся значимыми в ультрафиолетовой и инфракраснойобластях. При длине волны излучения выше 1,6 мкм обычное кварцевое стеклостановится непрозрачным из-за роста потерь, связанных с инфракраснымпоглощением, рис. 1.8.
Потери на рассеянии asct. Уже к 1970 году изготавливаемое оптическое волокно становится настолькочистым (99,9999%),что наличие примесей перестает быть главенствующим фактором затухания вволокне. На длине волны 800 нм затухание составило 1,5 дБ/км. Дальнейшемууменьшению затухания препятствует так называемое рэлеевское рассеяние света.Рэлеевское рассеяние вызвано наличием неоднородностей микроскопическогомасштаба в волокне. Свет, попадая на такие неоднородности, рассеивается вразных направлениях. В результате часть его теряется в оболочке. Этинеоднородности неизбежно появляются во время изготовления волокна.
Потери на рэлеевскомрассеянии зависят от длины волны по закону l-4 и сильней проявляются в области коротких длин волн (рис. 1.8).
Длина волны, на которойдостигается нижний предел собственного затухания чистого кварцевого волокна,составляет 1550 нм и определяется разумным компромиссом между потерямивследствие рэлеевского рассеяния и инфракрасного поглощения.

/>
Рис. 1.8.Факторы, влияющие на затухание вобласти длины волны 1500 нм.
Внутренние потери хорошоинтерполируются формулой: a = Krel l -4 + +dOH(l) + Ce–k/l, где dOH(l) отражает пик поглощения на примесях OH с максимумом при1480 нм, а первое и последнее слагаемые соответствуют рэлеевскому рассеянию иинфракрасному поглощению соответственно (Krel = 0,8 мкм4×дБ/км; C = 0,9 дБ/км; k = 0,7-0,9 мкм; данные приведены длякварца). На рис. 1.9 приводится общий вид спектральной зависимости собственныхпотерь с указанием характерных значений четырех основных параметров (минимумовзатухания в трех окнах прозрачности 850, 1300 и 1550 нм, и пика поглощения надлине волны 1480 нм) для современных одномодовых и многомодовых волокон.

/>
Рис. 1.9.Собственные потери в оптическомволокне.
 
Кабельные(радиационные потери) arad обусловлены скруткой, деформацией иизгибами волокон, возникающими при наложении покрытий и защитных оболочек,производства кабеля, а также в процессе инсталляции ВОК. При соблюдении ТУ напрокладку кабеля номинальный вклад со стороны радиационных потерь составляет небольше 20% от полногозатухания. Дополнительные радиационные потери появляются, если радиус изгибакабеля становится меньше минимального радиуса изгиба, указанного в спецификациина ВОК.
Дисперсия и полосапропускания. Пооптическому волокну передается не просто световая энергия, но также полезныйинформационный сигнал. Импульсы света, последовательность которых определяетинформационный поток, в процессе распространения расплываются. При достаточнобольшом уширении импульсы начинают перекрываться (рис. 1.10), так чтостановится невозможным их выделение при приеме.
/>
Рис. 1.10.Битовый код 101 на выходе изволокна, перекрытие импульсов

Дисперсия – уширениеимпульсов – имеет размерность времени и определяется как квадратичная разностьдлительностей импульсов на выходе и на входе кабеля длины L по формуле />. Обычно дисперсиянормируется в расчете на 1 км, и измеряется в пс/км. Дисперсия в общем случаехарактеризуется тремя основными факторами, рассматриваемыми ниже:
ü  различием скоростей распространениянаправляемых мод (межмодовой дисперсией tmod); направляющими свойствами световодной структуры (волноводной дисперсиейtw);
ü  свойствами материала оптическоговолокна (материальной дисперсией t mat).
/>
Рис 1.11.Виды дисперсии.
 
Чем меньше значениедисперсии, тем больший поток информации можно передать по волокну.Результирующая дисперсия tопределяется из формулы:
/>
 
Межмодовая дисперсия возникает вследствие различнойскорости распространения у мод, и имеет место только в многомодовом волокне.
Хроматическаядисперсия состоит изматериальной и волноводной составляющих и имеет место при распространении, какв одномодовом, так и в многомодовом волокне. Однако наиболее отчетливо онапроявляется в одномодовом волокне из-за отсутствия межмодовой дисперсии.
/>
Рис.1.12.Зависимость дисперсии от длины волны (хроматическая дисперсия определяется каксумма материальной и волноводной дисперсий.)
 
Хроматическаядисперсия системы передачи чувствительна к: увеличению длины и числаучастков линии связи, а такжеувеличению скорости передачи (т.к.увеличивается эффективная ширина линии генерации источника).На нее вменьшей степени влияютуменьшение частотного интервала между каналами иувеличение числа каналов.А уменьшается хроматическая дисперсия приуменьшении абсолютного значения хроматической дисперсии волокна; компенсациидисперсии.
Материальная дисперсия обусловлена зависимостью показателяпреломления волокна от длины волны. В выражение для дисперсии одномодовоговолокна входит дифференциальная зависимость показателя преломления от длиныволны:
/>.
 
Волноводная дисперсия обусловлена зависимостью коэффициентараспространения моды от длины волны: />, гдевведены коэффициенты M(l) иN(l) – удельные материальная иволноводная дисперсии соответственно, а Dl(нм) – уширение длины волны вследствие некогерентностиисточника излучения. Результирующее значение коэффициента удельнойхроматической дисперсии определяется как D(l)=M(l)+N(l). Удельная дисперсия имеетразмерность пс/(нм×км). Если коэффициент волноводной дисперсии всегда больше нуля, токоэффициент материальной дисперсии может быть как положительным, так иотрицательным. И здесь важным является то, что при определенной длине волны(примерно 1310 ± 10нм для ступенчатого одномодового волокна) происходит взаимная компенсация M(l) и N(l),а результирующая дисперсия D(l) обращается в ноль. Длина волны, при которой это происходит, называетсядлиной волны нулевой дисперсии l0. Обычно указывается некоторый диапазон длин волн, в пределах которыхможет варьироваться l0для данного конкретного волокна.
Для одномодовогоступенчатого и многомодового градиентного волокна используется эмпирическаяформула Селмейера: />. Коэффициенты А,В, С являются погогочными, и выбираются так, чтобы экспериментальные точкилучше ложились на кривую />. Тогда удельнаяроматическая дисперсия вычисляется по формуле: />,где /> - длина волны нулевойдисперсии.
Для волокна со смещеннойдисперсией эмпирическая формула временных задержек записывается в виде t(l)=A+B+Cllnl. Коэффициенты A, B, C являютсяподгоночными, и выбираются так, чтобы экспериментальные точки лучше ложились накривую t(l). Соответствующая удельная дисперсия определяется как />, со значениями параметров l0=e-(1+B/C) и S0=C/l0, где l – рабочая длина волны, для которой определяется удельная хроматическаядисперсия, l0– длина волны нулевой дисперсии, и S0– наклон нулевой дисперсии.
Хроматическая дисперсиясвязана с удельной хроматической дисперсией простым соотношением t(l)=D(l)×Dl, где Dl – ширина спектра излучения источника. К уменьшениюхроматической дисперсии ведет использование более когерентных источниковизлучения.
Поляризационнаямодовая дисперсия tpmd – возникает вследствие различнойскорости распространения двух взаимно перпендикулярных поляризационныхсоставляющих моды. Коэффициент удельной дисперсии T нормируется в расчете на1км и имеет размерность (пс//>), а tpmd растет с ростом расстояния по законуtpmd=T/>.
Из-за небольшой величины tpmd может проявляться исключительно водномодовом волокне, причем, когда используется передача широкополосногосигнала (полоса пропускания 2,4 Гбит/с и выше) с очень узкой спектральнойполосой излучения 0,1 нм и меньше. В этом случае хроматическая дисперсиястановится сравнимой с поляризационной модовой дисперсией.
В одномодовом волокне вдействительности может распространяться не одна мода, а две фундаментальныемоды – две перпендикулярные поляризации исходного сигнала. В идеальном волокне,в котором отсутствуют неоднородности по геометрии, две моды распространялись быс одной и той же скоростью (рис. 1.14 а). Однако на практике волокна имеют неидеальную геометрию, что приводит к различной скорости распространения двухполяризационных составляющих мод (рис. 1.13 б). При передаче цифровоговысокоскоростного сигнала (>2,4 Гбит/с) из-за наличия tpmd может возрастать битовая скоростьпоявления ошибок.

/>
Рис. 1.13.Появление поляризационной модовойдисперсии.
Таблица1.4. Опорный коэффициент поляризационной модовойдисперсии, при котором обеспечивается необходимый уровень ошибок по битам вприемнике в соответствии с требованиями рекомендаций ITU-TСкорость передачи Максимальная задержка PMD, пс Коэффициент PMD для ОВ длиной 400км, пс/км 2,5 40 2 10 10 0,5 20 5 0,25 40 2,5 0,125
Главной причинойвозникновения поляризационной модовой дисперсии является нециркулярность(овальность) профиля сердцевины одномодового волокна, возникающая в процессеизготовления или эксплуатации волокна. При изготовлении волокна только строгийконтроль позволяет достичь низких значений этого параметра.
1.2.2 Классификациисистем со спектральным уплотнением
Эта технология взарубежной литературе получила название «wavelength division multiplexing»(WDM).
В середине 1990-х годовблагодаря широкому внедрению эрбиевых оптических усилителей, начала бурноразвиваться технология DWDM. Для стандартизации набора оптических несущихсистем DWDM с разносом 50 ГГц (около 0,4 нм) и 100 ГГц (около 0,8 нм)международный союз электросвязи (МСЭ) в октябре 1998 года выпустил рекомендацииITU-T G.691 и ITU-T G.692. В них предусмотрено разделение всей рабочей областиоптического волокна на диапазоны: L (longwavelength, длинноволновый) диапазон(1570 – 1625 нм), С (conventional, обычный) диапазон (1530 – 1570 нм) и S(shortwavelength, коротковолновый) диапазон (1460 – 1530 нм). В С-диапазоне пришаге 0,4 нм можно разместить до 100 каналов, что при скорости передачи впределах 2,5 – 10 Гбит/с дает информационную емкость одного волокна 250 – 1000Гбит/с.
В таблице 1.5 приведенодин из вариантов классификации систем со спектральным уплотнением.
Таблица 1.5. Классификация систем WDM
/>
В соответствии срекомендацией ITU-T G.694.2, в таблице использованы следующие обозначенияспектральных диапазонов:
Ø O – начальный, первичный (Original,1260 – 1360 нм);
Ø E – расширенный(Extended, 1360 – 1460 нм);
Ø S – коротковолновый (Short wavelength, 1460 –1530 нм);
Ø C – обычный,стандартный (Conventional, 1530 – 1570 нм);
Ø L –длинноволновый (Long wavelength, 1570 – 1625 нм).
Рекомендации МСЭ-Т ираспределение длин волн. В 2002 году МСЭ выпустил новый стандарт, регламентирующий несущие частотыдля систем DWDM: рекомендацию ITU-T G.694.1 (T-REC-G.694.1-200206), определяющую сетку частот дляDWDM.
Номинальныецентральные частоты для DWDM систем:
Ø Для канальныхрасстояний 12.5 GHz в волокне, допустимые канальные частоты (в THz) определеныкак: 193.1 + n. 0.0125 где n — положительное или отрицательное целое включая 0;
Ø Для канальныхрасстояний 25 GHz в волокне, допустимые канальные частоты (в THz) определеныкак: 193.1 + n. 0.025 где n — положительное или отрицательное целое включая 0;
Ø Для канальныхрасстояний 50 GHz в волокне, допустимые канальные частоты (в THz) определеныкак: 193.1 + n. 0.05 где n — положительное или отрицательное целое включая 0;
Ø Для канальныхрасстояний 100 GHz в волокне, допустимые канальные частоты (в THz) определеныкак: 193.1 + n. 0.1 где n — положительное или отрицательное целое включая 0;
Согласно рекомендацииITU-T G.694.2 в системах CWDM кроме широко известных диапазонов С, S, Lиспользуются еще два диапазона O (original, основной) 1260–1360 нм и E (extensive,расширенный) 1360–1460 нм.
/>
Рис. 1.14.Распределение длин волн подиапазонам согласно рек. G. 694.2
 
1.3 Технологии передачиинформации в ОЛС
 
При выборе сетевоймагистрали, необходимо принимать во внимание следующие моменты:
1) соответствиестандартам —совместная работу и взаимозаменяемость изделий различных производителей, снижаетсяриск привязки к частному решению;
2) коммерческаяподдержка —соответствие международным стандартам, поддержка достаточным числомпроизводителей;
3) отказоустойчивость— нечувствительностьк отказам и разрывам соединений между взаимодействующими узлами (резервирование);
4) ремонтопригодность— поддержкапростых процедур подключения или отключения дополнительных узлов сети.
5) высокаяпропускная способность — в нашем случае этому уделяется отдельное внимание.
6) предсказуемоеповедение в режиме реального времени — передача данных с малыми задержками для обеспеченияпредсказуемости откликов в режиме реального времени;
7) средстваподдержки для эксплуатации в жестких условиях — надежная работа при экстремальныхтемпературах, сильной вибрации и т.д.
1.3.1Обзор современных цифровых технологийпередачиинформации на глобальных сетей связи
Развитие телекоммуникацийидет ускоренными темпами. Получили широкое развитие современные цифровыетехнологии передачи данных, к которым можно отнести ATM, Frame Relay, IP, ISDN,PCM, PDH, SDH и WDM. Причем такие технологии, как АТМ, ISDN, PCM, PDH, SDH иWDM можно отнести к технологии глобальных сетей (ГС), или к магистральным технологиямпередачи данных.
Технологии ГС основаны накоммутации цепей, они используют предварительное установление соединения. Сдругой стороны, они относятся к магистральным технологиям, т.е. технологиям,способным передавать данные между ЛВС, районами, городами, зонами/регионами игосударствами, использующих развитую адресацию на основе стандарта ITU-T E.164.
Рассмотрим краткоперечисленные выше технологии под углом зрения их использования как технологийГС.
Технология IP – пакетная, неотъемлемый атрибутсети Internet и яркий пример сетевой технологии ЛВС, все шире и ширеиспользуется для передачи пакетизированного голосового трафика по сети Internet.Благодаря наличию маршрутизаторов и шлюзов в сети общего пользования,IP-телефония может рассматриваться как глобальная магистральная технология.Успех ее обусловлен следующим:
· наличиемсформированной среды передачи -Internet, абонентами которой являются миллионы;
· низкими тарифамина использование сети для голосовой связи по сравнению с соответствующимитарифами традиционной междугородной и международной связи;
· универсальностьюуслуг сети: передача голоса, данных, видео и мультимедиа (любого уровня);
· универсальностьюи доступностью терминального оборудования, устанавливаемого у клиента (ПК +модем);
· доступностью ипростотой установки ПО у конечного пользователя;
· возможностьюиспользовать все виды доступа в Internet (ТфОП, выделенный канал, радиорелейнаяи спутниковая связь).
Технология Frame Relay – пакетная технология КС (первыйстандарт ITU-T (МСЭ-Т) относится к 1988 г.), пришедшая на смену технологии X.25. Удобное средство получения дешевых универсальных услуг по передаче голоса(VoFR), факса и данных, используя относительно небольшой (16-32 кбит/с)зарезервированный или коммутируемый виртуальный канал пакетной передачи. Этатехнология используется достаточно широко, благодаря следующим возможностям:
· интегрированныйсервис на скоростях до Е3/Т3 (34/45 Мбит/с);
· доступ всинхронную сеть асинхронных пользователей с помощью устройств доступа FRAD;
· уровень качестваобслуживания/сервиса QoS;
· экономия средствза счет оптимально выбранной арендуемой полосы.
Эта технология не имеетразвитых средств адресации, необходимых для магистральных сетевых технологий,но, будучи универсальной технологией доступа, близкой к технологии АТМ(виртуальная адресация PVC-SVC), может рассматриваться интегрировано странспортной технологией ATM, как технология глобальных сетей.
Технология АТМ – пакетная, задуманная какуниверсальная широкополосная технология (широкополосная ISDN – BISDN),способная передавать любой тип трафика путем инкапсуляции его информационногосодержимого в поле полезной нагрузки ячейки АТМ. (Первые стандарты такжеотносятся к 1988 г.).
Эта технология может бытьполностью отнесена к магистральным, но она не является транспортной, так как неимеет в своей OSI-модели физического уровня. В результате она должнаиспользовать какую-то глобальную транспортную технологию, например PDH, SDH,SONET или WDM. Для этого эти технологии или должны иметь возможностьинкапсулировать ячейки ATM в поле полезной нагрузки своих транспортных модулей,как это имеет место для технологий DS3, PDH, SDH и SONET, или иметь реализованныйфизический интерфейс, или интерфейсную карту, позволяющую непосредственномодулировать параметры (например, интенсивность) оптической несущей, как этоимеет место в системах с WDM.
Техника инкапсуляцииячеек ATM в виртуальные контейнеры VC-n фреймов SDH (ATM over SDH)регламентируется новым стандартом ITU-T G.707 (3.96), а упаковка во фреймы PDHЕ1-Е4 (АТМ over PDH) – новыми стандартами ITU-T G.804 (2.98) и G.832 (10.98).Аналогично регламентируется техника инкапсуляции АТМ over DS3 и ATM over SONET.Что касается интерфейсов, позволяющих передавать АТМ через WDM, то ониреализуются производителями этого оборудования.
Технология АТМ имеетследующие возможности:
· предоставление интегрированныхуслуг по передаче голоса, факса, данных, видео и мультимедиа;
· обеспечениетребуемого уровня качества обслуживания QoS;
· предоставлениеширокого диапазона скоростей передачи от Е1 до Е4, от STM-1 до STM-256 и отOC-1 до OC-768;
· приема передачи спомощью адаптерных плат ПК;
· инкапсуляции ипередачи IP-трафика (технология IP over ATM).
Применение технологии АТМтак и не стало массовым, и в настоящее время по степени влияния ираспространения она уступает технологии IP, которая может занять ее нишу вместес технологией ISDN.
Технология ИКМ. Этой технологии уже около 40 лет.Относительный прогресс в России в этой области сводится к факту использованияцифровых технологий и АТС и переходу на ОЦК – 64 кбит/с, как на базовую меруиспользования ширины полосы пропускания цифровых сетей в расчете на одногопользователя. ОЦК допускает не только его использование для передачи голоса,факса и данных, но и организацию наложенной связи (с коммутацией пакетов), атакже вторичное уплотнение канала путем использования стандартных алгоритмовсжатия, сертифицированных для применения на сетях ВСС РФ. В первую очередь этоотносится к использованию известного алгоритма ADPCM (адаптивнойдифференциальной ИКМ – АДИКМ), сжимающий ОЦК до 32 кбит/с (CCITT G.721, 1988г.),и новых алгоритмов: LDCELP (алгоритм линейного предсказания с кодовымвозбуждением и малой задержкой – ITU-T G.728, 1992г.), сжимающий ОЦК до 16кбит/с (в 4 раза), практически без ухудшения качества голоса, и CS-ACELP (ITU-TG.729, Annex A, 11.96), сжимающий ОЦК до 8 кбит/с (в 8 раз).
Технология PDH. Этой технологии около 30 лет.Относительный прогресс в этой области состоит лишь в том, что новая генерацияоборудования PDH позволяет:
· использоватьновую схему формирования фреймов Е2 с байт-интерливингом (ITU-T G.704, 10.98),расширяющую возможности использования схем сигнализации CAS и CCS;
· использоватьновые структуры фреймов Е3 и Е4, используемые при взаимодействии PDH и SDH(ITU-T G.832, 10.98);
· передаватьвиртуальные контейнеры соответствующего уровня фреймов SDH, давая возможностьсистемам PDH соединять отдельные кольца SDH в единую сеть;
· передавать нибблсообщения о статусе синхронизации (SSM), формируемый системами SDH, и тем самымучаствовать в управлении сетью синхронизации;
· быть включенным вобщую схему управления оборудованием единой сети PDH-SDH.
Указанные нововведенияпозволяют продлить жизнь этой технологии и органично вписаться винтегрированные сети PDH-SDH.
Технология ISDN. Этой технологии около 20 лет, но внашей стране она начала активно развиваться только последние 5 лет. Еевнедрению мешает как отставание в развертывании цифровых АТС, так и созданиеадаптированной для России версии известной сигнализации SS#7 (ОКС-7).
Эта технология используетнесколько форматов передачи данных: 2B+D (B = 64 кбит/c, D = 16 кбит/с), 6В и30В+D (D = 64 кбит/с). Наиболее простой из них – первый, так называемый доступна базовой скорости (BRA). Он позволяет, используя цифровую сеть общегопользования с общей схемой нумерации, передавать голос, факс, данные,осуществлять модемный доступ на скорости 128 кбит/с и проводитьвидеоконференции, т.е. все то, что обещает АТМ. И хотя скорости ISDN не стольвелики, как обещанные АТМ, но все же достаточны для использования такназываемого доступа на первичной скорости Е1 (PRA).
Отличительная особенностьISDN в том, что она использует готовую цифровую телефонную сеть, а стоимостьадаптеров ISDN, как и аренда номеров, существенно ниже по сравнению с АТМ.Жаль, что распространению этой технологии, кроме указанных объективных причин,мешают ведомственные барьеры, не допускающие широкого использованиякорпоративных ISDN-решений, основанных на международных стандартах.
Технология SDH, (первые стандарты относятся к 1988 г.). Основной прогресс на цифровых сетях в нашей стране связан именно с ее использованием.Первые сети SDH появились в России в 1993 г. Их основными особенностями в то время были использование скорости 155 Мбит/c (уровень STM-1 в иерархии SDH), оптоволоконныекабели в качестве среды передачи и архитектура двойного кольца, позволяющаявосстановить трафик за 50 мс после обрыва одного из волокон или выхода из строяодного из мультиплексоров.
Технология WDM. Этой технологии не больше 10 лет. В 1992 г. она позволяла объединять 2-4 оптические несущие, теперь – 160-240.Если каждая из несущих будет иметь в качестве мультиплексора доступамультиплексор SDH уровня STM-64 (10 Гбит/с), то его максимальный поток составит1,6-2,4 Тбит/с.
Развитие технологии WDMведет к изменению модели взаимодействия основных транспортных технологий. Довнедрения технологии WDM модель состояла из трех уровней и среды передачи ипоказывала, что для транспортировки трафика верхнего уровня (ATM, IP) черезоптическую среду передачи он должен быть инкапсулирован в транспортныемодули/сигналы STM-N/STS-n (OC-n), способные, используя физический интерфейстехнологии SDH/SONET, пройти через физический уровень в оптическую средупередачи. Отсюда ясна необходимость создания технологий инкапсуляции ячеек АТМ,например в виртуальные контейнеры SDH (ATM over SDH) или в виртуальные трибыSONET (ATM over SONET), или пакетов IP в виртуальные трибы SONET (IP overSONET).
После появления системWDM модель имеет три или четыре уровня, не считая среды передачи. Появилсяпромежуточный уровень WDM, который, как и SDH/SONET, обеспечивает физическийинтерфейс, позволяющий через физический уровень выйти на оптическую средупередачи не только технологии SDH/SONET, но и технологиям ATM и IP.
Оценив по достоинства инедостаткам технологии глобальных сетей, для проектирования ВОСП выбираемтехнологию SDH, этот выбор позволят обосновать таблица1.7, главным соперником для нее выступает технология ATM:
Таблица 1.6. Модель взаимодействия основныхтранспортных технологий: а) до внедрения технологии WDM; б) после внедрениятехнологии WDM.
/>
Таблица. 1.7. Сравнительная характеристикафункциональных возможностей технологий ATM и SDH.
/>

/>1.3.2 Краткое описание выбраннойтехнологии (SDH)
Для начала рассмотримплезиохронную иерархию (PDH), она явилась предпосылкой к появлению синхроннойцифровой иерархии (SDH):
1) Принята в США и Канаде.В качестве скорости сигнала первичного цифрового канала ПЦК (DS1), т.е. 1544кбит/с и давала последовательность DS1 — DS2 — DS3 — DS4. Передачасоответственно 24, 96, 672 и 4032 канала DS0 (DS0 — цифровой сигнал нулевого уровня называетсяосновным цифровым каналом (ОЦК) 64 кбит/с);
2) Принята в Японии,использовалась та же скорость для DS1; давала последовательность DS1 — DS2 — DSJ3 — DSJ4, передача 24, 96, 480 (1440 каналов DS0);
3) Принята в Европе и ЮжнойАмерике, в качестве первичной была выбрана скорость 2048 кбит/с и давалапоследовательность E1 — E2 — E3 — E4 — E5. Передача 30, 120, 480, 1920 (7680каналов DS0).
Комитетом ITU-T был разработан стандарт PDH, согласно которому былистандартизированы три первых уровня первой иерархии, четыре уровня второй ичетыре уровня третьей иерархии в качестве основных, а также схемыкросс-мультиплексирования иерархий, а последние уровни первой и третьейиерархий не были рекомендованы в качестве стандартных.
Таблица 1.8. ПЦИ: АС-американская;ЯС-японская; ЕС-европейскаяУровень цифровой иерархии Скорости передач, соответствующие различным схемам цифровой иерархии AC: 1544 kbit/s ЯС: 1544 kbit/s EC: 2048 kbit/s 64 64 64 1 1544 1544 2048 2 6312 6312 8448 3 44736 32064 34368 4 --- 97728 139264

/>
Рис. 1.15.Схема мультиплексиро- вания икроссмуль- типлеквирования
АС: 24*4*7*6; ЯС: 24*4*5*3;ЕС: 30*4*4*4
 
НедостаткиPDH:
· наличие3-х иерархий (АС, ЯС, ЕС);
· согласованиескоростей (по вертикали – в рамках одной иерархии, по горизонтали – разныхиерархий) (решение – введение стаффинга); затруднённый ввод/вывод цифровых потоков в промежуточныхпунктах (решение — введение режима кроссмультиплексирования);
· отсутствиесредств сетевого автоматического контроля и управления;
· многоступенчатоевосстановление синхронизма в групповом сигнале требует достаточно большоговремени (решение — переход к синхронному режиму SDH);
Из-зауказанных недостатков, а также ряда других факторов в США разработали ещё однуиерархию — иерархию синхронной оптической сети SONET, а в Европе аналогичную — синхронную цифровую иерархию SDH, для использования в ВОСП. Но из-за неудачновыбранной скорости передачи для ОЦК, было принято решение отказаться отсоздания SONET, а создать на её основе SONET/SDH со скоростью передачи 51.84Мбит/с первого уровня ОС1. В результате OC3 SONET/SDH соответствовал STM-1иерархии SDH (табл. 1.9).

Таблица 1.9 Ступени иерархии SDH/SONETSONET, SDH, Скорость, Количество объединяемых потоков OC-n STM-N кбит/с Е1 ЕЗ Е4 OC-3 SТМ-1 155 520 63 3 1 OC-12 SТМ-4 622 080 252 12 4 OC-48 SТМ-16 2 448 320 1 008 48 16 OC-192 SТМ-64 9 953 280 4 032 192 64 OC-768 SТМ-256 39 813 120 16 128 768 256
Линейные сигналы SDH организованы в синхронныетранспортные модули STM. Каждый последующийимеет скорость в 4 раза большую, чем предыдущий. Три первых уровня былистандартизованы в последней версии ITU-T Rec. G.707.Иерархии PDH и SDH взаимодействуют через процедурымультиплексирования и демультиплексирования потоков PDH в системы SDH.
Преимущества SDH передPDH:
—  помехозащищенность;
—  непосредственноемультиплексирование STM-1 в STM-N или STM-N в STM-4*N посхеме 4*STM-N -> STM-4*N;
—  выделение полосыпропускания по требованию;
—  прозрачность дляпередачи любого;
—  переход наследующую ступень иерархии путем добавления/удаления функциональных блоков;
—  единый всемирныйстандарт;
—  улучшеннаяуправляемость и эффективность этих сетей;
—  Цикл повторенияпередачи транспортных модулей любого уровня равняется 125 мкс — простоесинхронное мультиплексирование потоков нижних уровней в высшие.
/>Основные принципы организации сети. Сеть SDH строится по функциональным слоям, верхнийзанимает пользователь. Он является клиентом, которого обслуживает нижележащийсетевой слой. Тот, в свою очередь, выступает в роли клиента для следующего слояи т.д. деление по слоям позволяет: внедрять и менять независимо друг от другаотдельные сетевые слои, часть которых может сохраняться при смене несколькихпоколений технологий; иметь в каждом слое собственные ОАМ — средства дляконтроля и обслуживания передачи информации клиента и для борьбы с отказами,что повышает качество связи, минимизирует усилия при авариях и снижает влияниеаварий на другие слои; выделять соответствующие объекты в системе TMN.
Важнейшими дляпоследующего изложения являются сетевые слои (сверху вниз): каналов, трактов исекций (табл. 1.10).
Сеть каналов – слой,обслуживающий собственно пользователей. Их терминалы подключаются к комплектамоконечной аппаратуры SDH соединительными линиями (СЛ). Сеть каналов соединяетразличные комплекты оконечной аппаратуры SDH через коммутационные станции(например, ЭАТС).
Таблица 1.10. Послойное строение сети СЦИ.Слой каналов Сеть коммутации ОЦК Сеть коммутации пакетов Сеть аренды каналов Слой трактов Сеть трактов низшего ранга Сеть трактов высшего ранга Слой среды передачи Секции Мультиплексные ОВ и радиорелейная сеть Физ. среда Регенерационные ОВ и РРЛ сеть
Группы каналов объединяютсяв групповые тракты различных порядков, образуя сеть трактов. Имеется двасетевых слоя трактов (сверху вниз по иерархии SDH) – низшего и высшегопорядков. В каждом слое может осуществляться коммутация – с помощью аппаратурыоперативного переключения (АОП) трактов.
Групповые трактыорганизуются в линейные, построение которых зависит от среды передачи. Этосетевой слой среды передачи. Он подразделяется на два: слой секций (верхний) ислой физической среды. Линейные тракты SDH выполняют и часть функций аппаратурыгруппообразования (мультиплекса) – например, ввод и ответвление цифровыхпотоков. Сетевой слой секций разделяется на два. Верхним является слоймультиплексных секций (MS). Это ЛТ с частью функций мультиплекса. Нижний слой –слой регенерационных секций (RS).
Целостность информацииклиента в пределах данного слоя сети обеспечивает «трасса» (trail).Это введённое в SDH понятие обобщает понятие каналов, трактов и секций. Трассавключает средства передачи сигналов и ОАМ – средства. Поступающая в каждый слойинформация клиента проходит через точки доступа, лежащие на границах слоя. Сетьвнутри слоя образуется звеньями, связывающими точки доступа напрямую или черездругие звенья, соединяемые с данным звеном в точках внутри слоя.
Вначале поступающая информацияадаптируется, т.е. согласуется с функциями передачи данного слоя. В канальномслое производится аналого-цифровое преобразование или преобразование непрерывнопоступающей от пользователя цифровой информации в циклическую форму в канале 64кбит/с; в слое трактов – группообразование; в слое секций несколько трактоввысшего порядка объединяются между собой и с ОАМ – сигналами при вводе в циклесекции.
В каждом слое выполняютсясоединения звеньев – по принципу 1:1 или 1:N. Вместо громоздких и малооперативныхкроссов, к которым подключаются действующие PDH – тракты, трассы SDHзаканчиваются комплектами оперативного переключения цифровых трактов и секций,управляемыми в рамках SDH.
Каждый сетевой слой можетсодержать подсети, соединяемые между собой СЛ, например интернациональные,национальные, областные и т.д. это деление сети SDH по горизонтали дополняетвышеописанное деление по вертикали.
Отдельные элементы сетиSDH (линейные тракты, мультиплекс, аппаратура ввода/вывода цифровых потоков ит.д.) оснащаются интерфейсами сетевых узлов (NNI), с помощью которыхпроизводятся соединения элементов. Параметры NNI оговариваются в Рек. G.708(структура циклов), G.703 (электрические характеристики) и G.957 (оптическиехарактеристики).
/>Информационные структуры. Информация, поступающая в сеть, согласовывается соструктурами, с помощью которых поддерживаются соединения. В SDH эти структурыобразуются в сетевых слоях секций и трактов и транспортируют цифровые потоки, предусмотренныерек. G.702, а также широкополосную информацию. В функции этих структур входиттакже компенсация (с помощью системы «указателей» — pointers)возможных изменений скорости и фаз транспортируемых по сети SDH цифровыхпотоков. Такая компенсация обеспечивает функционирование SDH каксинхронизированной сети, допускающей плезиохронный режим в рамках, оговоренныхРек. G.811, и вандер — сетевой дрейф фаз (wander) — дрожание фазы инфранизкойчастоты.
В слое секцийиспользуются синхронные транспортные модули (Synchronous Transport Modul, STM).STM — это блочная циклическая структура с периодом повторения 125 мкс. Основноймодуль STM-I имеет v= 155.520 кбит/с, а модули высших порядков STM-N — в N разбольшие скорости. Числа N совпадают с верхними уровнями иерархии SDH.
Кроме информационнойнагрузки, STM несет избыточные (OverHead, ОН) сигналы, обеспечивающие ОАМ ивспомогательные функции. Ниже такие избыточные сигналы именуются «заголовками».Поскольку STM используется в сетевом слое секций, его заголовок называется «секционным»(Section ОН—. SОН). Он подразделяется на заголовки регенерацнонной имультиплексной секций (соответственно RSOH и MSOH). RSOH передается междурегенераторами, a MSOH — между пунктами, в которых формируется ирасформировывается STM, проходя регенераторы транзитом.
RSOH выполняет функциицикловой синхронизации, контроля ошибок, указания порядка синхронного модуля, атакже создает каналы передачи данных, служебной связи и пользователя; MSOH —функции контроля ошибок и создает каналы управления системой автоматическогопереключения на резерв, передачи данных и служебной связи.
Для организациисоединений в сетевом слое трактов образуются виртуальные контейнеры (VirtualContainer, VC). VC — это блочная циклическая структура с периодом повторения125 или 500 мкс (в зависимости от вида тракта). Различают VC различного порядка— для разных скоростей передачи, имеющие обозначения VC-11, 12, 2, 3, 4: VCсодержит также заголовок, называемый «трактовым» (Path ОН, РОН).
РОН создается в пунктах,в которых формируется (расформировывается) VС, и контролирует тракт между этимипунктами, проходя транзитом секции RS и MS. В функции РОН входят контролькачества тракта и передача аварийной и эксплуатационной информации. РОН трактавысшего порядка содержит также информацию о структуре информационной нагрузкиVC. Она формируется контейнерами (Container, С). Для каждого VC имеется свой С(С11, 12, 2, 3, 4). Определены функции адаптации используемых на сети цифровыхпотоков к этим контейнерам. VC Образуется соединением трактового заголовка иконтейнера, т. е. условно VC=POH+C.
STM жесткосинхронизируется с циклом секции, а VC вводятся в STM с помощью дополнительныхструктур, обеспечивающих упомянутую в начале этого раздела компенсациюизменений скорости передачи и фаз транспортируемой нагрузки. Эти структурыописываются ниже.
Административный блок(Administrative Unit,AU) согласовывает сетевой слой трактов высшего порядка ссетевым слоем мультиплексных секций. Содержит информационную нагрузку VC-4(блокAU-4)или VC-3(блок AU-3) и АU-указатель (AU pointer): АU=АU-указатель+VC. Началоцикла нагрузки может перемещаться относительно начала цикла мультиплекснойсекций и отмечается указателем, места которого фиксировано. Один или несколькоAU, занимающих определенные фиксированные позиции в нагрузке STM, называются «группойадминистративных блоков» (Administrative Unit Grouр, АUG). Группа содержитоднородный набор блоков AU-3 или один AU-4.
STM-N образуетсяпобайтным объединением N AUG и секционного заголовка SОН: STM-N=SOH+NxAUG.
Субблок (TributaryUnit,TU) обеспечивает согласование между сетевыми слоями трактов низшего ивысшего порядков и содержит информационную нагрузку (VC-1I, 12, 2, 3) иTU-указатель, показывающий отступ начала цикла нагрузки от начала цикла VCвысшего порядка: ТU=TU-указатель+VС. В соответствий со входящими в состав TUвидами VC субблоки обозначаются TU-11,12, 2,3. Один или несколько TU,занимающих определенные фиксированные позиции в нагрузке VC высшего порядка,называются «группой субблоков» (TUG). Различают TUG-2 и TUG-3. TUG-2содержит однородный набор идентичных субблоков TU-11, 12 или один TU-2, TUG-3 —однородный набор групп субблоков TUG-2 или один TU-3.
На рис. 1.16 показан циклSTM-N. В SDH принято изображение циклов в виде таблиц из n рядов и т столбцов,передаваемых за период Т цикла. Большинство таких таблиц содержит по девятьрядов. Каждый элемент таблицы представляет собой 1 байт (8 бит). Порядокпередачи байтов — слева направо, а затем сверху вниз, как при чтений даннойстраницы. Первый байт цикла расположен в левом верхнем углу таблицы, последний— в правом нижнем. Наиболее значащий бит байта передается первым. Первые 9Nстолбцов цикла STM-N несут служебные сигналы. Ряды 1—3 занимает заголовок RSOHрегенерационной секции, а ряды 5—9 — заголовок MSOH мультиплекс ной секции.Четвертый ряд отведен для All-указателей. Остальные 261 Х N столбцов циклапредназначены для информационной нагрузки.
Формула для скоростипередачи, отвечающей таким таблицам (циклам), имеет вид: v=8M/T, где М — числоэлементов таблицы, а Г— период цикла. У большинства структур SDH (в том числе иSTM-N) T=125 мкс. В таком случае v=64M кбит/с. Для STM-1, например, А=9 X 270=2430, откуда v=64X2430= = 155520 кбит/с.
/>
На рис. 1.17 показаныциклы наибольшего в SDH контейнера С-4, а также VC-4, AU-4 и STM-I. Все ониимеют Т=125 мкс. Цикл С-4 содержит 260 столбцов, его скорость передачи (объемконтейнера С-4) v=64 X 9 X 260= = 149 760 кбит/с; виртуальный контейнер VC-4образуется добавлением к С-4 заголовка РОН, т. е. Первого столбца цикла (576кбит/с). Административный блок AU-4 (в данном случае он совпадает c AUG)образуется добавлением к VC-4 девяти байтов четвертой строки (64X9=576 кбит/с),часть которых занята AU-указателем. После добавления SОН образуется цикл STM-1.
/>Структура кадра СЦИ. Для стандартного телефонного канала периоддискретизации равен 125 мкс. Под кадром понимают совокупность символов (бит информационногосигнала), переданных за время, равное периоду дискретизации. Так как дляосновного синхронного сигнала — синхронного транспортного модуля уровня STM-1скорость передачи — 155,52 Мбит/с, то каждый кадр должен содержать 19440 бит. Особенностью технологии СЦИ/SDH является то, что основнойединицей кадра служит не бит, а байт, поэтому в каждом кадре содержится 19440:8= 2430 байт. Другая особенность технологии СЦИ/SDH заключается в организацииструктуры кадра, который представляется как блок, состоящий из 9 строк и 270столбцов, каждый столбец при этом имеет ширину в 1 байт.

/>
Рис. 1.18.Структура кадра STM-1
 
Кадр синхронноготранспортного модуля уровня STM-1 как блок данных можно представить в виденекоторого контейнера стандартного размера, имеющего сопровождающуюдокументацию — заголовок, где собраны все необходимые для управлениямаршрутизации контейнера поля—параметры, и внутреннюю емкость для размещенияинформационных символов, которые называют полезной нагрузкой.
В кадре первые 9 байтсодержат сигнал синхронизации кадра (или фрейма) FAS (Frame Alignment Signal).Последующие 261 байт используются для передачи полезной нагрузки. Следующие 9байтов представляются в виде первых 9 столбцов второй строки и используются вкачестве секции заголовка — заголовок регенераторного участка RSOH (RegeneratorSection Overhead), а последующие 261 байт (261 столбцов) используются дляполезной нагрузки и т.д. Таким образом формируется представление кадрасинхронного транспортного модуля уровня STM-1 в виде матрицы размерностью 9x270= 2430 байт, у которой первые 9 столбцов отведены под управляющую информацию —это заголовок участка SOH (Section Overhead) (состоит из сигнала выравниванияфрейма FAS (1x9 байт), заголовок регенераторного участка RSON (2x9 байт),заголовок мулътиплексорного участка MSOH (Multiplexer Section Overhead) (5x9байт) и указатель Pointer (1x9 байт), а последующие 261 столбец используютсяпод полезную нагрузку.
Указатель (Pointer)расположен в начале четвертой строки между заголовками регенераторного RSOH имультиплексорного MSOH участков и используется для указания начала полезнойнагрузки. Как видно из рис. 1.19, действительное положение полезной нагрузкиначинается не с первой строки (после сигнала синхронизации кадра FAS), а послеуказателя и с того места (адреса), которое задается указателем.
Полезная нагрузкарасполагается не в одном кадре, а частично в следующем. Нумерация емкостинагрузки в связи с этим начинается после указателя, т.е. с 10-го байтачетвертой строки, а не с первой строки после FAS. Как следствие конец нумерациинагрузки заканчивается в конце третьей строки следующего кадра. Полезнаянагрузка может смещаться в структуре кадра под действием непредвиденных временныхфлуктуации, а указатель всегда содержит адрес начала полезной нагрузки. Темсамым устраняется противоречие между фактом синхронности обработки и возможнымизменением положения полезной нагрузки внутри кадра.
/>
Рис.1.19.Принцип действия указателя в кадреSTM-1
Побайтная структурауказателя кадра синхронного транспортного модуля STM-1 представлена на рис. 1.20.
/>
Рис. 1.20.Структура указателя кадра модуляSTM-1

В указателе кадра байты Yи 1* являются несущественными: 1* состоит из одних единиц; Y=1001SS11, где S S= 1 0 для AU-3 и AU-4, которые будут определены далее. Байты HI и Н2 содержатзначение указателя, для которого отведено 10 бит.
10 бит значения указателякадра 2 бита расположены в конце байта HI, а остальные 8 — в байте Н2.Допустимые значения указателя кадра лежат в пределах 0...782 в десятичнойсистеме счисления. Буквами I и D биты значения указателя разделены на двегруппы в соответствии с наличием или отсутствием процедуры выравнивания. Этосвязано с тем, что если имеет место процедура выравнивания, значение указателядолжно увеличиваться или уменьшаться на единицу. Однако в канале передачи неисключены сбои, которые могут приводить к ложному изменению значения указателякадра. Если можно было бы проводить процедуру накопления значений указателя занесколько кадров, то проблема бы снималась. Однако новое значение указателядолжно вводиться сразу в кадр. Приращение указателя кодируется относительностарого значения путем инвертирования всех его нечетных бит I. При уменьшениизначения указателя инвертируются все четные биты D. Поэтому изменение значенияуказателя кадра можно распознать по изменению значений 5 бит в указателе.Принято, что если из 5 бит, по крайней мере, 3 бита инвертированы, то этоподтверждает новое значение указателя кадра. В следующем кадре новое значениеуказателя формируется обычным путем.
Как отмечалось выше,заголовок SON кадра STM-1 состоит из двух блоков: RSOH -заголовкарегенераторного участка размером 3x9 = 27 байт и MSOH — заголовкамулътиплексорного участка размером 5x9 = 45 байт. В структуре заголовка кадраосновная информация содержится в столбцах 1, 4 и 7. Свободные байтызарезервированы для будущих задач стандартизации, 6 байтовзарезервированы длянационального использования.
В заголовке кадра байтыAl, A2 в первой строке отведены под сигнал синхронизации (выравнивания) кадра(А 1 = 11110110, А2 = 00101000); С1 — байт идентификации наличия кадра STM-1 вкадре STN-N.
Следующие две строкиотносятся к заголовку регенераторного участка, к которому имеют доступ толькорегенераторы линейного участка. Данные строки включают:
— В1, используемый дляпроверки на четность с целью обнаружения ошибок в предыдущем кадре;
— Е1 используется дляорганизации служебных каналов связи со скоростью передачи 64 кбит/с;
— F1 зарезервирован длясоздания канала передачи данных пользователя;
— D1-D3 формируют встроенныйканал управления ЕСС (Embedded Communication Channel) со скоростью передачи 192кбит/с.
/>
Рис. 1.21.Структура заголовка кадра STM-1
 
Последние пять строкзаголовка кадра SOH составляют заголовок мультиплексорного участка RSOH,который доступен только мультиплексорам. В данном участке ряд байтов (В2, Е2,D4...D12) предназначен для реализации функций аналогичных функциям врегенераторном участке. Кроме того, здесь реализуется канал автоматическогопереключения резервирования APS (Automatic Protection Switching) — байты Kl,K2. Канал APS используется также для сигнала индикации аварийного состояния AIS(Alarm Indication Signal) и для сигнализации ошибок (отказов) удаленногооборудования. Байты Zl, Z2 являются резервными, кроме 5-8 бит байтов Z1,используемых для сообщений о статусе синхронизации./>/>
Виртуальные контейнеры. Для организации соединений в сетевых слоях трактовиспользуются виртуальные контейнеры VC-n, определённые в Рек. G708, G.709.Виртуальный контейнер – это блочная циклическая структура с периодом повторения125 или 500 мкс. (в зависимости от вида тракта), каждый VC-n состоит из полянагрузки (контейнер C-n) и трактового заголовка PОН, несущего сигналыобслуживания данного VC-n = C-n +POH.
Виртуальные контейнерыформируются и расформировываются в точках окончания трактов. Заголовоксоздаётся и ликвидируется в пунктах, в которых формируется и расформировываетсяVC-n, проходя транзитом секции. Он позволяет осуществлять контроль качестватрактов «из конца в конец» и передавать аварийную и эксплуатационнуюинформацию.
Тракты, соответствующиевиртуальным контейнерам 1-го и 2-го уровня VC-11 и VC-12, относятся к трактамнизшего порядка, а виртуальным контейнерам 3-его и 4-го уровней VC-3 и VC-4 –высшего.
 
Таблица 1.11. Перечень VC-nVC — n VC-11 VC-12 VC-2 VC-3 VC-4 Объём, Мбит/с 1.6 2.176 6.78 48.384 149.76 Сигналы ПЦИ Мбит/с 1.5 1.5 и 2 6 34 и 45 140
VC-11, VC-12 и VC-2относится к нижнему рангу, а VC-3 и VC-4 – к верхнему. Во второй строке таблицыпоказан их полезный «объём» т.е, предельная скорость нагрузки, а внижней строке – скорости передачи сигналов ПЦИ (округленно), размещение которыхстандартизировано в этих контейнерах.
Информация, определяющаяначало цикла VC-n, обеспечивается обслуживающим сетевым слоем. VC-4 –виртуальный контейнер уровня 4 – элемент мультиплексирования СЦИ, который неразбивается по подуровням и представляет собой поле формата 9*261 байтов(содержит 9 рядов и 261 столбец). Первый столбец занимает POH, а остальные2340 элементов – полезная нагрузка: при прямой схеме мультиплексирования — этоконтейнер C-4 (скорость передачи 2340 * 64 = 149760 кбит/с.), либо путеммультиплексирования нескольких групп TUG-2 и TU-3, а именно: VC-4 формируетсякак 1*C4 или 4*TU-31, или 3*TU-32, или 21*TUG-21, или 16*TUG-22.
VC-3 – виртуальныйконтейнер уровня 3 — элемент мультиплексирования СЦИ, который разбивается надва виртуальных контейнера: VC-31 и VC-32 – поля формата 9*65 байтов – дляVC-31, и поля формата 9*85 байтов – для VC-32; полезная нагрузка VC-3формируется либо из одного контейнера С-3 (прямой вариант схемымультиплексирования), либо путем мультиплексирования нескольких групп TUG-2, аименно: VC-31 формируется как 1*С31 или 4*TUG-22, или 5*TUG-21; VC-32формируется как 1*С32 или 7*TUG-22. Контейнер C-3 имеет 84 столбца и выдаётполезную нагрузку 84 * 9 * 64 = 48384 кбит/с. Виртуальные контейнеры верхнихуровней VC-3,4 позволяют сформировать соответствующие административные блоки.
Виртуальные контейнерынижнего ранга используют сверхцикл 500 мкс. На рис.1.25 показан VC-12. байтыV5, J2, Z6 и Z7 образуют заголовок тракта, а четыре группы по 34 байта нагрузки– контейнеры С-12 с полезной ёмкостью 2176 кбит/с VC-11 и VC-12 имеют ту жеструктуру, но содержат соответственно по 25 и 10 байтов в каждой из группнагрузки.
/>
Рис. 1.22. Сверхцикл TU-12.
 
Необходимо отметить, чтоевропейский стандарт не включает контейнер С-2. Соответствующий виртуальныйконтейнер VC-2 предназначен для транспортирования не сигналов ПЦИ, а новыхсигналов с иерархическими скоростями (например, ячеек при АТМ).
Синхронные транспортныемодули переносят виртуальные контейнеры верхнего ранга и обмениваются ими вузлах сети. Аналогично сами VC-3,4 обмениваются контейнерами нижнего ранга. Этипроцессы должны обеспечиваться компенсацией возможных на пути колебаний фазы ичастоты VC-n относительно цикла обслуживающей структуры. Упомянутая компенсациядополняется указанием начала цикла контейнера в цикле обслуживающего сетевогослоя. Обе операции выполняются механизмом указателей, оговоренным в Рек. G.709.
/>Мультиплексирование цифровых потоков.Многовариантность и сложность формирования модуляSTM-1, предложенная в первой редакции, ставила в трудное положениепроизводителей оборудования СЦИ и отрицательно сказывалась на его унификации.На рис. 1.23. представлена схема мультиплексирования SDH (стандарт G.708 иG.709, 1993 год).
Эта схема объединяетевропейскую и американскую схемы мультиплексирования, рекомендованные ITU-T иИнститутом стандартов
 
/>
Рис. 1.23. Общая схема мультиплексирования PDHканалов в технологии SDH (редакция ITU-T 1993г.
 
Описанные упрощенияпривели к тому, что осталось только по одному пути формирования STM-1 изпотоков Е1 (2 Мбит/с) для каждой из систем:
H12 — C12 — VC12 — TU12 — TUG2 — TUG3 — VC4 — AU4 — AUG — STM-1(ЕС);
H12 — C12 — VC12 — TU12 — TUG2 — VC3 — AU4 — AUG — STM-1 (АС).
Другие варианты сборкиSTM-1 для европейской схемы:
T1 — C11 — VC11 — TU12 — TUG2 — VC4 — AU4 — AUG — STM1;
E3 — C3 — VC3- TU3 — TUG3 — VC4 — AU4 — AUG — STM1;
T3 — C3 — VC3- TU3 — TUG3 — VC4 — AU4 — AUG — STM1;
E4 — C4 — VC4- AU4 — AUG — STM1.
Варианты 1 и 3применяются для обеспечения совместимости с сетями SONET/SDH, использующимиамериканскую иерархию PDH.
/>Формирование транспортных модулей.Мультиплексирование STM-1 в STM-N может осуществлятьсякак каскадно (поэтапно): 4х1->4, 4х4->16, 4x16->64, 4x64->256, таки непосредственно по схеме N:1->N, где N = 4, 16, 64, 256. При этом длясхемы непосредственного мультиплексирования используется чередование байтов.

2. Теоретическая часть– расчет параметровОЛТ ВОСП сWDM
 
2.1 Структураоптического линейного тракта ВОСП с WDM
Цифровым оптическимлинейным трактом (ЦОЛТ) называется тракт, где передается световой поток,интенсивность которого модулируется цифровым электрическим сигналом,сформированным с помощью определенной кодовой последовательности.
Передача оптических WDM — несущих производится по ЦОЛТ, их построение осуществляется по единойструктурной схеме (рис.2.1).
/>
Рис. 2.1.Структурная схема цифрового линейного тракта.
 
Структурные схемы ОЛТпередачи и ОЛТ приема для оптического тракта представлены на рис. 2.2.
/>
Рис. 2.2.Обобщенные структурные схемы ОЛТ: а)ОЛТ передачи; б) ОЛТ приема.
Основными элементами ВОСП(рис. 2.3) являются оптический кабель (ОК), а также оптический передатчик(ОПер) и оптический приемник (ОПр). Передатчик выполняет роль преобразователяэлектрического сигнала в оптический, а приемник обеспечивает обратноепреобразование оптического сигнала в электрический.
/>
Рис. 2.3.Оптический кабель
 
Обобщеннаяструктурная схема волоконно-оптических систем передачи. Обобщенная структурная схема РУволоконно-оптической системы передачи (ВОСП) без устройств компенсации илинейных усилителей представлена на рис.2.4. Приведен пример оптической системыпередачи работающей на одной оптической несущей, без чирпа (с внешниммодулятором) и прямым детектированием.
ПередатчикВОСП обеспечиваетпреобразование входного электрического сигнала в выходной световой сигнал.Скорость передачи в линии современных систем синхронной цифровой иерархиисоставляет 2,5 — 40 Гбит/с. Соответственно длительность импульса источникаоптического излучения не должна превышать 0,2 – 0,05 нс. Это требует применениякогерентных источников излучения – лазеров.
Вобщем случае передатчик включает в себя лазерный диод (ЛД), модулятор (М) икодек, на который поступает кодовая последовательность от цифровой системыпередачи (ЦСП).
Модуляторпроизводит модуляциюгенерируемой лазером оптической несущей.
Кодекосуществляетпреобразование кода ЦСП (аналогового сигнала) в линейный код оптической системыпередачи и обратно.

/>
Рис.2.4.Упрощенная структурная схема ВОСП.
ПриемникВОСП осуществляетобратное преобразование входных оптических импульсов в выходные импульсыэлектрического тока. Он включает в себя фотодиод (ФД), оптический усилитель(ОУ), фильтр нижних частот (ФНЧ) и кодек. Основной элемент – ФД. Применяютсяp-i-n или лавинные фотодиоды, имеющие очень малую инерционность.
Оптическийкросс служит дляоперативного соединения и разъединения оптических волокон станционных илинейных оптических кабелей в процессе технической эксплуатации ВОЛП.
2.2Расчет параметров КЭМ передачи и приема
2.2.1 Выбор типаисточника излучения и фотоприемника,их параметры
Выбор типа источникаизлучения. Общиетребования к источникам излучения ВОСП следующие: λ излучения источникадолжна совпадать с одним из минимумов спектральных потерь ОВ; конструкцияисточника должна обеспечивать достаточно высокую мощность выходного излучения иэффективный ввод его в ОВ; источник должен иметь высокую надежность и большойсрок службы; габаритные размеры, масса и потребляемая мощность должны бытьминимальными; простота технологии должна обеспечивать невысокую стоимость ивысокую воспроизводимость характеристик.
В высокоскоростных ВОСПзначительные требования предъявляются и к динамическим характеристикамисточников света. Удобнее всего использовать оптические излучатели, допускающиепрямую модуляцию интенсивности, частоты или фазы излучения без существенныхизменений других параметров (модового состава, диаграммы направленности ит.д.).
Источниками излучения воптических передатчиках с прямой модуляцией являются полупроводниковыесветоизлучающие диоды (СИД) или лазеры. Передатчики на основе светодиодовиспользуются совместно с многомодовым волокном в низкоскоростных системахпередачи информации на короткие расстояния. Основными недостатками светодиодовявляются малая скорость передачи информации, малая выходная мощность, широкаяполоса спектра и большая расходимость излучения.
В зависимости от скоростипередачи (В) и энергетического потенцила (Э), которые берутся из табл. 2.1,выбираем пару источника излучения и фотодиода.
Таблица 2.1 Параметры СИД и ЛДПараметр СИД FP DFB VCSEL Длина волны, нм 850/1310 1310/1550 1310/1550 850/1310 Мощность на стыке с ОВ, дБм -10…-15 -1…2 Спектральная ширина линии, нм 30-60 2 >10-40 2 Тип волокна MMF SMF, NZDSF SMF, NZDSF MMF, SMF Цена низкая Умеренно высокая Высокая Умеренная Время наработки на отказ, ч
109
108
108
108
SMF – стандартное одномодовое волокно, MMF – многомодовое волокно, NZDSF – волокно со смещенной ненулевойдисперсией

/>
Рис. 2.5.Зависимость энергетического потенциала междупередающим и приемным модулями для различного сочетания источников излучения ифотодиодов от скорости передачи.
В системах связи соскоростью менее 2,5 Гбит/с используются простейшие лазеры с резонатором Фабри –Перо и прямой модуляцией (рис. 2.6.).
При скоростях передачиинформации В = 2,5 Гбит/с и выше необходимо использовать лазеры сраспределенной обратной связью (DFB),в которых обеспечивается эффективная селекция мод и сужение спектра излучения(рис.2.7).
/>
Рис.2.6Полупроводниковый лазер срезонатором Фабри – Перо и спектр его излучения
 

/>
Рис. 2.7.Полупроводниковый лазер сраспределенной обратной связью (DFB) и спектр его излучения
 
В сетях связи возможноширокое использование лазеров с вертикальным резонатором (VCSEL) (рис.2.8).
/>
Рис.2.8.Полупроводниковый лазер свертикальным резонатором и поверхностным излучением (VCSEL)
Достоинство VCSEL: возможность массового производстваи тестирования, что ведет к значительному снижению их стоимости.
Преимущества: узкаяполоса излучения, высокое время наработки на отказ, круглая форма сечения луча.Но доступная мощность излучения не превышает 7 мВт на диод в многомодовомрежиме, поэтому для увеличения выходной мощности применяют несколько излучателей,работающих синхронно.
При проектировании оптической системы передачи на 10 Гбит/с иλ=1550 нм в качестве источника лучше использовать DFB лазер фирмы Nel — NLK3C8CAKB потому, что: работаетв необходимом оптическом диапазоне и обеспечивает в нем мощность 1 дБм данныйтип лазера имеет узкий спектр излучения (λ
Таблица2.2Сравнение лазерных модулейХарактеристики Тип лазерного модуля ПОМ-03545 ЛПН-602М JDSU 54TM-3XYZ
CyOptics
D2500
CyOptics
E3500
Nel
NLK3C8CAKB Диапазон рабочих длин волн, нм 1500…1550 1500…1550 1500…1580 1530…1570 1530…1563 1530…1565 Мощность излучения, дБм -1.5…2 1 -1…2 Пороговый ток накачки, мА 25 30 20…50 12…50 5…35 15…30 Сопротивление терморезистора, кОм 19 10 15 10 10 10 Максимальный ток микрохолодильника, А 0.5 1 1 1 1.3 1.2 Уровень подавления боковых мод, дБ - - 30 30 30 35 Время нарастания, спада (по уровням 20/80%), пс - - 150 130 125 125 Максимальная скорость передачи, Гбит/с 0.155 0.622 2.5 2.5 2.5 10
 
Выбор фотодетектора. Наиболее распространены в ВОСП дватипа фотодетекторов: pin-фотодиоди лавинный фотодиод (APD).
Pin: выделяют pin-фотодиоды на основе кремния и InGaAs. Чувствительность выражается в А/Вт или В/Вт и является мерой электрическоймощности, которую можно ожидать на выходе фотодиода, отданной определенной,падающей на вход, световой мощностью сигнала. Для фотодиодов чувствительность откликаR связана с длиной волны световогопотока λ и квантовой эффективностью η, той частью падающих фотонов,которые производят пары электрон – дырка: /> (А/Вт),где λ– в нм.
/>
Рис. 2.9.Зависимость чувствительности отдлины волны для кремниевых фотодиодов
 
Как видно из рисунков,кремниевые фотодиоды могут использоваться в диапазоне коротких волн (850 нм),тогда как фотодиоды типа InGaAs– в диапазонах волн 1310 и 1550 нм.
/>
Рис. 2.10.Зависимость чувствительности от длиныволны для фотодиодов типа InGaAs
APDфотодиод представляет из себя pin диод с усилением. В его структуре присутствуетдополнительная область усиления, приложив напряжение к которой можно добитьсяэффекта ударной ионизации. Эта усилительная зона достаточно велика, чтобыобеспечить полезное усиление порядка 100 (дБ) для кремниевых APD и 10-40 для германиевых и InGaAs APD. У APDфотодиодов есть и недостатки – они характеризуются коэффициентом избыточногошума (F), т.е. вместе с усилением они вносятв сигнал дополнительный шум.
Чувствительностьприемников оптического излучения.Важнаярабочая характеристика ВОСП, определяющая качество связи — это коэффициент ошибок(BER). Его значение равно отношению числаошибочно интерпретированных символов к общему числу переданных символов.Причина возникновения ошибок – наличие шумов.
В реальных системах связизначения фототока, соответствующие и 1, и 0, флуктуируют во времени из-заналичия шумов. Такие временные флуктуации тока могут привести к ошибочнойинтерпретации информационного символа. Природу возникновения ошибок в двоичныхцифровых системах связи с амплитудной модуляцией поясняет рис. 2.11.
/>
Рис.2.11.Электрический информационный сигналс шумом на входе схемы сравнения
 
Уровень нуля I0,уровень единицы I1, уровень сравнения ID, длительностьтакта tD (слева) и распределения вероятностей измеренных значенийтока сигнала для 1 и 0 (справа). Закрашенные области показывают вероятностиошибок: Р(1/0) – вероятность интерпретации 0 как 1; Р(0/1) – вероятностьинтерпретации 1 как 0.
Из-за наличия шумовизмеренное значение тока отличается от его точного значения. Разброс измеренныхзначений тока при передаче логической 1 и 0 описывается соответствующимифункциями F1(I) и F0(I) распределения вероятностей. Нарис. 2.11, справа, графики функций F1(I) и F0(I) показанысоответственно верхней и нижней кривыми. Как видно из рисунка, графики этихфункций пересекают прямую, соответствующую уровню напряжения сравнения ID.Это означает, что существует некоторая, обычно весьма малая, но отличная от 0вероятность неправильной интерпретации принятого сигнала. Вероятность Р (1/0)ошибочной интерпретации 0 как 1 определяется площадью под частью функциираспределения F0(I), отсекаемой уровнем тока сравнения ID.Аналогично вероятность Р (0/1) ошибочной интерпретации 1 как 0 определяетсяплощадью под частью функции распределения F1(I), отсекаемой уровнемтока сравнения ID. При равной вероятности передачи 0 и 1 коэффициентошибок определяется простым выражением: />
В предположениигауссовского распределения шума с нулевыми средними значениями интенсивности исо среднеквадратичными отклонениями />, /> для 1 и 0 соответственнокоэффициент ошибки определяется выражением: />, где /> – показатель качествапринимаемого сигнала.
Для нормальной работыВОСП требуется, чтобы шум не превышал некоторого заданного значения. Прификсированной скорости передачи информации и пренебрежении шумами самого световогосигнала шумы фотоприемника можно считать постоянными и не зависящими отмощности света. В этом случае Кош уменьшается при увеличенииамплитуды полезного сигнала и увеличивается при его уменьшении. Минимальноезначение средней мощности оптического излучения, необходимое для передачисигналов с заданным BER, называетсячувствительностью оптического приемника. В цифровых системах голосовой связимаксимально допустимое значение коэффициента ошибок обычно принимается равным10–9.
С увеличением скоростипередачи информации чувствительность ухудшается (т.е. возрастает) в линейныхединицах приблизительно пропорционально скорости B [бит/с]. Чувствительность современныхцифровых высокоскоростных приемников на основе pin-фотодиодов определяетсятепловыми шумами трансимпедансного усилителя (рис. 2.12).
/>
Рис.2.12.Зависимость чувствительности типичногоцифрового оптического приемника на основе pin – фотодиода и квантовый пределчувствительности оптических приемников
 
В отсутствии шумовчувствительность фотоприемника определяется квантовыми свойствами световогоизлучения и называется квантовым пределом чувствительности. При высокихскоростях, таких как 2.5 Гбит/с и 10 Гбит/с, улучшение чувствительности APD приемников может оказаться значительным.
Для InGaAs/InP APD, предназначенных для систем ВОСП с большой длинойволны, можно получить улучшение по крайней мере в 7 дБ по сравнению с pin приемниками на скорости 2.5 Гбит/с и5 – 6 дБ на скорости 10 Гбит/с. Однако, при проектировании высокоскоростнойсистемы передачи я сделал выбор в пользу InGaAs pin диода. Это обусловлено следующими факторами: а) pin диоды имеют большую наработку наотказ (может быть в 10 раз больше чем у APD); б) pinдиоды менее чувствительны к изменению температуры и более просты в обращении;в) pin диоды значительно дешевле APD (по данным Farnell.com pin диоды в 10 –20 раз дешевле APD);
 
2.2.2Расчет параметров КЭМ передачи и приема
Состави назначение квантово-электронного модуля (КЭМ). Для повышениянадежности и снижения требований к условиям эксплуатации и монтажа источники иприемники для ВОЛС выполняют в виде КЭМ, предназначенных для приема и передачиинформации по ВОЛС.
КЭМпозволяет подключать с одной стороны аппаратуру (передачи или приема), а сдругой — ОК. На передаче КЭМ обеспечивает преобразование электрического сигналав оптический, а на приеме — обратное преобразование. В состав КЭМпервходят: полупроводниковый источник излучения с электронной схемой возбуждения(ИЛ), согласующие устройства, обеспечивающие эффективный ввод излучения в ОВ иразъемный соединитель, с помощью которого осуществляются подсоединение световодаи ввод в него оптического сигнала. Каждый КЭМ комплектуют кабельной частьюсоединителя, рассчитанной на применение ВОК с диаметром световодной жилы около10 мкм.
Всостав КЭМпр входят согласующее устройство, разъемный соединитель, п/пфотодетектор, преобразующий оптический сигнал в электрический, и МШУ усилитель.Модули выполнены в виде герметических микросборок, используется тонкопленочнаягибридная технология, бескорпусные дискретные компоненты и п/п интегральнаясхема.
Дляуменьшения зависимости характеристик ИЛ от температуры и времени наработкииспользуют систему стабилизации выходной мощности, поддерживающую постояннуювыходную мощность излучения путем соответствующего изменения тока накачки. Вкачестве датчика обратной связи используют Si-фотодиод.
Конструктивноуказанные модули размером в спичечную коробку содержат несколько микросхем идискретных элементов, помещенных в герметичный корпус с оптическим разъемом.
Выбор КЭМ приема. Основными параметрами КЭМ приема цифровых ВОСП являются:рабочая длина волны; напряжение шума; пороговая мощность (чувствительность);скорость передачи; коэффициент ошибок; вольтовая чувствительность.
Рабочая длина волны КЭМпр- длина волны принимаемого оптического излучения, для которой его параметрынормированы.
Напряжение шума КЭМпробусловлено шумами фотоприемника, и шумом предусилителя, включенногонепосредственно после фотоприемника. Требование к предусилителю — обеспечениеминимального уровня собственных помех в полосе частот усиливаемого сигнала.
Вольтовая чувствительность- отношение напряжения на заданной нагрузке КЭМпр и мощность излучениявызвавшего появление этого напряжения. Значение вольтовой чувствительности КЭМприема лежит в пределах />
Порог чувствительностиопределяет Рср min мощностьизлучения на входе КЭМпр для заданного сигнала, при которой обеспечиваетсязаданное отношение SNR или заданный BER. Чем меньше порог чувствительности,тем больше энергетический потенциал системы и длина участка регенерации.
Параметры серийных КЭМприема цифровых ВОСП приведены в табл.1.14. Основными характеристики: порогчувствительности, при которой обеспечивается заданный BER или требуемое SNR; скорость передачи информации; рабочая длина волны.
 

Таблица 2.3 КЭМ приема.
/>
 
Расчет мощностиизлучения. Мощность источника излучениярассчитывается из формулы: Pпер = Рпр – Э [Вт], мощность приема (Рпр) быларассчитана, а Э берем из таблицы 2.3.
Выбор КЭМ передачи. Основными параметрами КЭМ передачицифровых ВОСП являются: средняя мощность излучения; λ; ширина спектра излучения; скорость передачи.
В ряде случаев задаютсяэксплуатационные параметры: интервал рабочих температур; входное напряжение; напряжениепитания и др.
Средняя мощностьизлучения определяется как среднее за данный интервал времени значения мощностина выходе оптического соединителя при определенном входном напряжении.
Длина волны излучения КЭМпередачи, на которой нормируются его параметры, называется рабочей длинойволны.
Ширина спектра КЭМпередачи определяется шириной спектра используемого излучателя.
Скорость передачи зависитот быстродействия источника излучения и электронной схемы возбуждения.
Для уменьшения влияниятемпературной нестабильности характеристик лазерного диода в состав КЭМпередачи входит фотоприемник, используемый в качестве датчика ОС. Ответвлениечасти оптической мощности излучателя в цепь ОС осуществляют с заднего торца ЛД,а фототок датчика используют для управления режимом работы излучателя.
Паспортные характеристикисерийных КЭМ для цифровых ВОСП приведены в табл.2.4. Основными параметрамиявляются скорость передачи, мощность излучения.
По полученной врезультате расчета по формуле Pпер = Рпр – Э мощности передачи (Рпер) и скоростипередачи (В), по табл.2.4 выбираем КЭМ передачи.
Таблица 2.4. КЭМпередачи.
/>
2.3 Оценка параметровоптического волокна
 
2.3.1Выбор рабочей длины волны
Форма и длительностьоптических импульсов. Оптические импульсы характеризуются зависимостью: P(t)=P0F(t). Длительность импульсов характеризуют полной длительностьюTFWHM (TFWHM – это время, в течение которого мощность импульса постояннопревышает половину от максимального значения.) по уровню половины максимальноймощности (full width at half-maximum). Мера длительности импульса — корень извременной дисперсии импульса στ. Сама временная дисперсия σ2τ.:
/>,
где /> – энергия импульса и /> координатацентра импульса, которую можно считать временем прибытия импульса, а угловыескобки означают операцию усреднения по времени.
Импульсы стандартнойформы. Притеоретическом анализе работы систем связи часто используются импульсыстандартной формы, перечисленные ниже. Гауссов импульс F(t)=exp(-t2/T20),
TFWHM=2(ln2)1/2T0=1,665T0=2,35στ. Импульс в форме гиперболическогосеканса
/>/>
Супергауссовимпульс />. При m = 1 форма этогоимпульса представляет собой обычный гауссовский импульс. С увеличением mпередний и задний фронты супергауссовского импульса становятся все болеекрутыми. Если определить длительность переднего фронта TN как время, в течениекоторого мощность импульса возрастает от 10 до 90% от пиковой мощности, тополучим TN=(ln9)To/2m=1,1To/m,
/>
Это выражение позволяетоценить m из измерения T0и TN. Как видно из формулы,увеличение m приводит к росту крутизны фронта. При неограниченном увеличении mсупергауссовский импульс переходит в прямоугольный импульс.

Прямоугольный импульс
 
/>
Электрическое полеоптических импульсов. Зависимость мощности от времени не полностью описывает оптическийимпульс, распространяющийся в одномодовом волокне. Оптический импульспредставляет собой всплеск электромагнитного излучения конечной длительности,распространяющийся вдоль оси z. Для его полного описания надо задать изменениево времени электрического поля E(t,x,y) в некотором сечении волокна.Относительное распределение поля внутри одномодового ОВ в поперечном сечениичасто можно считать постоянным и для многих типов ОВ известным. В этом случаеимпульс полностью описывается зависимостью напряженности электрического поля вовремени E(t), поскольку E(t,x,y)=e(x,y)A(x,y)E(t), где e(x,y), A(x,y) характеризуют моду ОВ.
Электрическое поле E(t)короткого оптического импульса колеблется с угловой частотой ω0,соответствующей центральной световой длине волны импульса λ0. Используетсякомплексное представление поля E(t), действительная часть равна электрическомуполю: />, отделимчлен, быстро осциллирующий на несущей частоте, от более медленно меняющейсякомпоненты, которая называется комплексной амплитудой поля: />. Комплексная амплитудапредставлена в виде произведения действительной амплитуды на фазовый множитель:
/>
Интенсивность оптическогоимпульса связана с мощностью выражением /> где/>– эффективная площадь сеченияоптического волокна.
Спектр оптическихимпульсов Спектроптических импульсов можно вычислить, используя преобразование Фурье. Введемкомплексную функцию />. Энергетический спектр сигналаопределяется квадратом модуля функции
/>
Критические длины волни частоты. Световодыимеют частоту отсечки (критическую частоту f0), и по ним возможна передача лишь волн длиной меньшедиаметра сердцевины световода (/>
Суммируя значенияпоперечных состовляющих gсердцевины и оболочки, получаем: g12+g22=k12 — k22=k0(n12 — n22), (1.2.1), где k0=2 pi//>=2 pi f/c; g12=k12 -b2 -поперечная составляющая волнового числа сердцевины; k1=2 pi//> - волновое число сердцевины; b — коэффициент распространения в световоде.
Для определения f0 надо принять g2=0, т.к. при значениях g2>0 поле концентрируется всердцевине световода, а при g2=0оно выходит из сердцевины и процесс распространения по световоду прекращается.Тогда: g12=k0(n12 — n22), (1.2.2) f0=/> pi(n12 — n22)1/2.
Умножив числитель и знаменательна радиус сердцевины r1, получим:F0=g1 c r1/pi d(n12 — n22)1/2, (1.2.4), где d — диаметр сердцевины волокна />0=v1/f0=/>(n12 -n22)1/2,где g1=Pnm — параметр, характеризующий тип волны (моду). Значения Pnm для различных типов волн />0можно найти в специализированной литературе по ОК. Изформулы видно, что чем толще сердцевина световода и чем больше отличаются n1 и n2, тем больше критическая длина волны и ниже f0.
f0 для различных типов волн Pnm и диаметра сердцевины d приведены в таблице 2.5 ( n1=1.51 и n2=1.50 ).
Таблица 2.5 Критические частоты
/>
При определённой λнаступает режим, когда q=0градусов, волна падает на оболочку световода и отражается перпендикулярно. Всветоводе устанавливается режим стоячей волны, и энергия вдоль световода нераспространяется. Это соответствует случаю критической длины волны />0=d. Поэтому по ОВ возможна передачалишь волн длиной меньше диаметра световода ( />
/>
Рисунок 2.13.— Распространение волны в волоконномсветоводе для частот: а — очень высоких; б — менее высоких; в — критических
 
Нормированная частота.Важнейшим обобщённымпараметром ОВ, используемым для оценки его свойств, является нормированнаячастота V:
V=((g1 a)2 — (g2 a)2)1/2=((k12 — b2)+(b2 — k22))2=(k12 — k22)1/2=2 pi a(n12 — n22)1/2//>, где a — радиус сердцевины оболочки; n1 — показатель преломления сердцевины; n2 — то же, оболочки
В таблице 2.6 приведенызначения нормированной частоты V приразличных радиусах сердцевины волокна a, длины волн /> (n1=1,51).

Таблица 2.6 Нормированная частота
/>
Значение нормированнойчастоты отсечки соответствует точке пересечения каждой кривой с осью V. В этом случае b/k=n2 поле излучается из световода и процесс распространенияпрекращается. Нормированная частота находится в пределах 0 , а при dn=0.003 получим a. То есть впоследнем случае одномодовая передача реализуется при диаметре сердцевины d=8,2/>,что соответствует для длины волны 1,3 нм диаметру 10,7 мкм.
Определение профиляпоказателя преломления. Определим профиль показателя преломления, в зависимости от вида сети(таблица 2.7), в нашем случае магистральная сеть.
 
Таблица 2.7
/>
Далее произведем выбортипа ОВ в соответствии с таблицей 5.5.
Таблица 2.8
/>

2.3.2 Расчетпропускной способности ОВ
Оценка оптическихнесущих. Целью данногопункта является определения промежуточных частот и расстояния между соседнимиканалами. Рассмотрим подробно 3-е окно прозрачности (рис. 2.14).
/>
Рис. 2.14.3–е окно прозрачности (включаясоседние диапазоны)
 
Рассмотрим более подробнорабочие диапазоны С и L, см.рис. 2345.
/>
Рис. 2.15.Диапазоны С — (1530 – 1560)нм и L– (1575 — 1615)нм
 
Для расчета центральныхнесущих нам понадобится границы 3- го окна прозрачности, а именно С и L диапазонов С — (1530 – 1560)нм, L – (1575 — 1615)нм. В С – диапазоневесь интервал занимает 30 нм, а в L – диапазоне – 40нм, в сумме это 70 нм. Предположим, что длина импульсасвета τи = 10-9 с-1мкм. />, скорость света (/>),
/>
Рис 2.16.Оптические несущие (передаваемыеканалы)определение расстояния между соседними каналами в 3-м окне прозрачности
 
/>
Рис 2.17. Определение расстояния междусоседними каналами
 
/>,/>,/>.
/>,
/>/>,
/>,
/>,
Все нужные расчетыпроизведены, остается найти расстояние между соседними каналами, а оноопределяется по формуле:

/>
Для защитного интервалацелесообразно отвести еще 0,1нм. В итоге получаем расстояние между каналами0,4нм. Именно такое расстояние между соседними каналами обеспечит намразмещение 160 каналов в 3 –ем окне прозрачности в диапазонах С — (1530 –1560)нм и L – (1575 — 1615)нм.
На рисунке 2.18представлено размещение 160 каналов.
/>
Рис. 2.18.Размещение оптических несущих вполосе пропускания ОВ в 3-м окне прозрачности.
 
Бюджет мощностисистемы. Значениепорога чувствительности для фотоприемника с p-i-n фотодетектором определяетсяследующим выражением: /> (1), где Aλ =Qoш(hc/eλ)—коэффициент, пропорциональный энергии падающего фотона.
Qoш-параметр,характеризующий вероятность ошибки (в нашем случае Qoш=6,36 что соответствуетPош = 10-10);
h,c,e –физическиепостоянные- h-постоянная Планка, с- скорость света, е-заряд электрона.
/>-квантовая эффективность-величина, показывающая эффективность преобразования фотон-электрон равная длясовременных фотоприемников />=0,75-0,9, />-среднеквадратичноезначение шумового тока приемного модуля с pin фотодиодом.
При длине волны λ=1,3 мкм коэффициент Aλ = 5,7 Вт/А и при длине λ = 1,55 мкмкоэффициент Aλ = 4,8 Вт/А. Энергия падающего излучения, соответствующаяодному и тому же фототоку, уменьшается с увеличением длины волны.
Мощность шума оптическогоприемного модуля с p-i-n фотодетектором и полевым транзистором на входе можноопределить используя выражение /> (2), Где: к – постояннаяБольцмана, T-температура, />-суммарная емкость фотодиода,предварительного усилителя и монтажа, />-шум-фактор полевого транзистора />,/> — интегралы Персоника,Sm-крутизна полевого транзистора, K-коэффициент, характеризующий глубинуинтегрирования во входной цепи фотоприемника. (обычно K=10÷100, так какв противном случае усложняется корректирующее устройство оптическогоприемника). Подставляя (2) в (1) получим зависимость чувствительностиоптического приемника от скорости передачи.
/> (3)
На рис. 2.19 приведенакривая расчета чувствительности оптического приемника при следующих параметрах:/>=0,8; Aλ=4,8Вт/А; />=0,5пФ(кривая 1), />=1 пФ(кривая 2); />=0,55, />=0,085; Sm=35*10-3 См; Fn=1.5.
Приведенные кривыепоказывают что чувствительность оптического приемника с увеличением скоростипередачи информации быстро уменьшается, что приводит к уменьшению бюджетасистемы, который равен разности уровней передающего оптического модуля ичувствительности оптического премного устройства.
В системах с WDM воптическом канале появляется дополнительные источники потерь — оптическиемультиплексор и демультиплексор. Для современных оптических мультиплексоровинтерференционного типа величина затухания составляет от 1,5 до 5,2 дБ на канал– в зависимости от количества мультиплексируемых каналов. Затуханиемультиплексоров интерференционного типа может меняться также в зависимости отдлины волны />-точнее от m – от номера мультиплексируемого канала что связано с особенностьюего устройства.
/>
Рис.2.19.Зависимость чувствительностиоптического приемника с p-i-n фотодиодом от скорости передачи.
 
Теоретически значениезатухания для оптических мультиплексоров интерференционного типа в зависимостиот числа каналов рассчитывается по следующей формуле: />, где 0,99-коэффициент отраженияот пленки, 0,98-коэффициент пропускания тонкопленочного фильтра.
На практике значениезатухания мультиплексоров интерференционного типа выше. Так для мультиплексорана 4 канала оно может колебаться от 1,8 до 2,5 дБ, для мультиплексора на 32канала – 4,2 дБ, для мультиплексора на 40 каналов – 5,3 дБ. Достоинство этихмультиплексоров – большое переходное затухание между каналами ≈60 дБ,малая чувствительность к изменениям температуры, недостатки- сложностьизготовления и как следствие — высокая стоимость. Мультиплексоры решетчатоготипа отличаются простотой изготовления, вносимое затухание колеблется от 3 до4,5 дБ для 16 каналов – 3дБ, для 32 – х- 4 дБ, для 40 – 4,5 дБ. Недостаток –требуется температурная стабилизация, что увеличивает затраты на эксплуатацию.
Рассмотрим возможностипроектируемой магистральной линии. Для этого будем наращивать скорость передачис В1=2,5 Гбит/с до Вn=40 Гбит/с c шагом 2,5 Гбит/с, и рассчитывать допустимуювеличину затухания в оптическом тракте /> (бюджет системы) для
а) для систем WDM cмультиплексорами интерференционного типа
б) для систем WDM cмультиплексорами решетчатого типа
в) для систем WDM cмультиплексорами интерференционного типа (при условии идеальности ихконструкции – теоретический минимум затухания).
Результаты сведем втаблицы 2.9,2.10,2.11 соответственно.