Исследование и разработка методов оценки предельной протяженности регенерационной секции ВОСП-СР

Диссертация посвящена исследованию и разработке методов инженерного расчета предельной протяженности регенерационной секции волоконно-оптических систем передачи со спектральным разделением (ВОСП-СР).

Актуальность темы

и состояние вопроса.

До настоящего времени на территории РФ существовала ситуация, когда в основном несколько крупных операторов фиксированной связи осуществляли строительство собственных транспортных сетей, в особенности это касается магистральных участков, связывающих города различных субъектов РФ. Текущие тенденции развития телекоммуникационных сетей определяют значительный рост потребности операторов фиксированной и сотовой связи в пропускной способности для предоставления различных широкополосных услуг абонентам. Это ведет к тому, что операторы связи вынуждены значительно повышать пропускную способность и надежность своих сетей, что требует увеличение объема арендуемых каналов, и неминуемо ведет к значительному повышению операционных затрат. Кроме того, для любого оператора связи вышеуказанная ситуация является непривлекательной по ряду других причин. В том числе, из-за отсутствия гибкости при организации передачи информации, резервировании, а также зависимости от партнеров при принятии технических и коммерческих решений. Таким образом, для крупных операторов сотовой и фиксированной связи целесообразна реализация проектов по строительству новых или модернизации существующих волоконно-оптических линий связи (BOJIC). В настоящее время на территории РФ имеет место крупномасштабное развертывание новых либо модернизация существующих магистральных транспортных сетей.

При этом настоящие потребности в пропускной способности, а также дальнейшее стратегическое планирование, которое выполняют операторы связи, полностью определяют целесообразность использования на транспортной сети аппаратуры со спектральным разделением. В итоге, на этапе планирования сети операторы связи с учетом дальнейшего перспективного развития и организации требуемой пропускной способности рассматривают именно аппаратуру со спектральным разделением.

При этом широкомасштабное внедрение оптических технологий продолжает оставаться определяющим для современного этапа развития сетей связи операторов не только в России, но и во всем мире.

Планируемые в настоящее время волоконно-оптические магистрали имеют значительную протяженность и значительное количество узлов. Не полностью использованные возможности волокна, равно как и их переоценка ведет к увеличению стоимости реализации проекта При этом принципы построения магистральной транспортной сети в каждом конкретном случае могут отличаться. Кроме того, в последнее время определились основные тенденции межоператорского взаимодействия по вопросам организации транспортной сети, которые в силу высоких капитальных затрат на строительство новых ВОЛ С предполагают следующие способы:

• в ыкуп оптических волокон;

• а ренда оптических каналов.

Например, между операторами связи существует договоренность по вопросу купли-продажи ОВ в существующем ОК, принадлежащем одному из операторов. По какой-либо причине оператор, выкупающий ОВ не будет иметь возможность по размещению своей аппаратуры на существующих объектах оператора владельца ОК. В этом случае возникает необходимость в размещении аппаратуры на собственных удаленных объектах, либо требуется выполнить запрос на технические условия у владельцев ближайших расположенных помещений, либо это вынуждает вести строительство собственных объектов. Независимо от варианта развития требуется выполнить расчет регенерационной секции, учитывая расположение необслуживаемых регенерационных пунктов (НРП).

При любом из возможных вариантов развития интересы операторов связи по вопросам расположения точек доступа к ресурсам транспортной сети, а также размещения оборудования усиления или регенерации совпадают в исключительных случаях. Таким образом, это вынуждает вести самостоятельное строительство отводов от магистрального волоконно-оптического кабеля и требует дополнительного пересчета протяженности регенерационной секции. Данный вопрос требует достаточно серьезного подхода для оптимального использования возможностей аппаратуры и сокращения капитальных затрат.

Развитие магистральной транспортной сети (строительство или модернизация) предполагает, что заказчик управляет проектом до ввода объекта в эксплуатацию. Однако производители оборудования, которые используют для расчета сети специальное программное обеспечение, в исключительных случаях предоставляют его во внешнее пользование, либо с продуктом поставляют демонстрационные версии, ограниченные по своим функциональным возможностям. Например, это могут быть версии, которые позволяют специалистам оценить вопрос модернизации сети, ограничивая при этом возможность планирования новой BOJIC. Несмотря на значительные финансовые затраты, этап планирования сети в вопросе ее расчета возлагается на производителя или поставщика оборудования только лишь из-за того, что операторы связи не имеют независимого инструмента для достаточно точного инженерного расчета ВОСП-СР с учетом ее основных характеристик.

Поскольку, современные высокоскоростные ВОСП базируются на технологии спектрального разделения оптических каналов, мощность, вводимая в оптическое волокно (OB), представляет собой суммарную мощность каждого оптического канала, то для таких систем характерно использование оптического излучения высокого уровня. Повышение мощности приводит к тому, что оптическая среда передачи начинает характеризоваться нелинейностью, которая проявляет себя в виде дополнительных эффектов, обеспечивающих условия, в том числе, и для уширения импульса во времени и, как следствие, сокращение протяженности регенерационной секции. Главным образом, это нелинейная фазовая модуляция (фазовая самомодуляции (ФСМ) и фазовая кросс-модуляция (ФКМ)).

Таким образом, при внедрении ВОСП-СР технические специалисты операторов связи сталкиваются с вопросом оценки степени влияния данных эффектов на протяженность регенерационной секции. До настоящего времени операторы связи не владеют системным подходом, который позволил бы оценить предельную протяженность элементарных кабельных участков и регенерационной секции в целом, и, как следствие, наиболее оптимальным образом распределить аппаратуру НРП.

Предложенные к настоящему времени подходы для оценки возможности ВОСП преодолевать протяженные участки регенерации, главным образом могут быть использованы при расчете параметров одноканальных ВОСП и не учитывают влияние вышеуказанных эффектов, вносимых значимый вклад в изменение оптического сигнала при его распространении по ОВ. Вопрос расчета протяженности ВОСП-СР является актуальным и требует детального рассмотрения, поскольку на параметры сигнала (мощность, код передачи) накладываются дополнительные ограничивающие факторы.

Исследование и разработка методов оценки предельной протяженности регенерационной секции ВОСП-СР являются актуальными в современных условиях увеличения потребности в пропускной способности. Для многоканальных ВОСП, экономическая эффективность которых неоспорима, характерны как механизмы, снижающие помехоустойчивость, свойственные одноканальным ВОСП, так и механизмы, связанные со спектральным разделением.

Известно, что протяженность участка регенерации волоконно-оптических линий связи (BOJIC) определяется потерями мощности оптического излучения из-за затухания в оптическом волокне и уширением формы оптического сигнала из-за влияния хроматической дисперсии, тем большего, чем выше скорость передачи. Причем обе причины ограничивают протяженность независимо друг от друга. Поэтому при проектировании BOJIC отдельно рассчитываются предельные длины участка регенерации BOJIC по затуханию и по скорости передачи.

Особенностью современных BOJIC, в составе которых могут применяться оптические усилители, является возможность увеличения предельной длины по затуханию между соседними регенераторами до 300 км и более. Это позволяет в большинстве случаев при проектировании трассы BOJIC через сопутствующие сетевые узлы исключать необслуживаемые регенерационные пункты (НРП) и, таким образом, существенно снизить расходы и упростить техническое обслуживание в процессе эксплуатации.

С другой стороны, с точки зрения уменьшения капитальных затрат на сооружение BOJIC, остается приоритетным при проектировании рассмотрение возможности использования кабеля с самыми дешевыми одномодовыми оптическими волокнами, соответствующих рекомендации МСЭ-Т G.652 [1]. По этой же причине и подавляющее большинство уже сооруженных BOJIC работают на этих оптических волокнах, несмотря на то, что в диапазоне длин волн около 1,55 мкм влияние хроматической дисперсии в них существенно выше.

Поэтому, в условиях неуклонного роста требуемого объема передаваемой информации, становится актуальным вопрос при проектировании новых и реконструкции (модернизации) существующих BOJIC оценки предельной скорости передаваемых цифровых сигналов при заданном расстоянии между НРП и требуемом значении коэффициента ошибок.

Какой бы из вышеуказанных способов развития не был бы актуальным для оператора связи, решаемые задачи и требуемый для этого ресурс является схожими: достаточно точная математическая модель или подход, позволяющий специалистам самостоятельно планировать и рассчитывать транспортную сеть без необходимости привлечения к участию поставщиков оборудования либо других сторонних организаций.

С этой целью автором были получены соотношения, устанавливающие аналитическую зависимость между протяженностью участка регенерации, скоростью передачи, основными характеристиками аппаратуры и кабеля, связанными с влиянием хроматической дисперсии, фазовой модуляции и коэффициентом ошибок, как основы методики расчета при проектировании и реконструкции BOJIC. Данный подход позволяет во всем диапазоне значения ключевых параметров оценить возможности проектируемой BOJIC, либо рассчитать характеристики устройств, позволяющих решить вопрос реконструкции сети по увеличению ее пропускной способности.

Цель работы и задачи исследования. Целью работы является исследование основных факторов, влияющих на распространение оптического сигнала при передаче его в тракте ВОСП-СР и разработка математической модели, позволяющей выполнять расчет предельной протяженности ВОСП-СР с учетом влияния хроматической дисперсии и фазовой модуляции (ФМ).

Методы исследования. При решении поставленных задач использовались методы теории оптических волноводов, теории нелинейной оптики, теории электрической связи, теории дифференциального и интегрального исчисления.

Личный вклад. Все основные научные положения, выводы и рекомендации, составляющие содержание диссертации, разработаны соискателем лично.

Научная новизна работы.

1. Разработана математическая модель, описывающая изменение формы импульса оптического сигнала при передаче его в тракте ВОСП-СР с учетом влияния хроматической дисперсии и позволяющая определить значение коэффициента ошибок на выходе оптической системы.

2. Разработана методика оценки дополнительных потерь, связанных с влиянием хроматической дисперсии.

3. Разработана математическая модель, описывающая изменение формы импульса оптического сигнала при передаче в тракте ВОСП-СР, позволяющая по сравнению с традиционными методами инженерного расчета протяженности регенерационной секции учитывать влияние фазовой модуляции.

4. Разработана методика оценки предельной протяженности регенерационной секции современных ВОСП-СР по критерию скорости передачи цифрового сигнала.

Практическая ценность.

1. Разработана программа для моделирования изменения формы импульса, позволяющая учесть влияние хроматической дисперсии и фазовой модуляции при расчете протяженности регенерационной секции ВОСП-СР.

2. Разработана программа для оценки дополнительных потерь из-за влияния хроматической дисперсии, которая позволяет на этапе проектирования учесть дополнительный штраф по мощности, достигающий в современных ВОСП-СР нескольких децибел.

3. Разработана программа для оценки предельной протяженности регенерационной секции современных ВОСП-СР по критерию скорости передачи цифрового сигнала в зависимости от основных параметров ВОСП-СР и кода передачи сигнала с учетом требуемого значения коэффициента ошибок.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Расчетное соотношение (см. стр.59) позволяет выполнить оценку отношения сигнал/шум из-за влияния хроматической дисперсии в зависимости от основных параметров ВОСП-СР и кода передачи оптического сигнала (с возвратом и без возврата к нулю).

2. Выражение (см. стр.75) определяет значение дополнительных потерь, вызванных уширением оптического сигнала во временной области. Показано, что оценка дополнительных потерь из-за влияния хроматической дисперсии является актуальной, поскольку в современных высокоскоростных системах передачи с высоким уровнем накопленной хроматической дисперсии данные потери могут достигать порядка 2дБ и более.

3. Алгоритм (см. стр.98−100) позволяет выполнить оценку ширины импульса на выходе регенерационной секции при влиянии фазовой модуляции и учесть данное воздействие при проектировании BOJIC с применением ВОСП-СР.

4. Разработанный метод позволяет выполнить оценку предельной протяженности регенерационной секции ВОСП-СР по критерию скорости передачи цифрового сигнала.

Реализация результатов работы. Результаты исследований, касающиеся разработки методики инженерного расчета предельной протяженности регенерационной секции ВОСП-СР внедрены в научно-исследовательскую работу «Разработка проекта нормативного документа «Рекомендации по проектированию и методика расчета протяженности участков волоконно-оптических систем передачи на магистральных и зоновых сетях связи», а также в процесс планирования магистральной BOJIC г. Воронеж — г. Ростов-на-Дону в компании ОАО «Мобильные ТелеСистемы». Реализация результатов работы подтверждена соответствующими актами.

Апробация результатов работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на конференциях:

1. «Телекоммуникационные и вычислительные системы», МФИ — 2005 г., Москва, ноябрь, 2005 г.;

2. НТК профессорско-преподавательского и научно-инженерного состава МТУ СИ, Москва, февраль, 2006 г.;

3. «Телекоммуникационные и вычислительные системы», МФИ — 2006 г., Москва, ноябрь, 2006 г.;

4. Московская отраслевая научная конференция «Технологии информационного общества», Москва, апрель, 2007 г.;

5. «Телекоммуникационные и вычислительные системы», МФИ — 2007 г., Москва, ноябрь, 2007 г.

6. Отраслевая научно-техническая конференция «Технологии информационного общества», Москва, февраль, 2008 г.

Публикации. Основное содержание диссертационной работы отражено в 13 печатных трудах, включая 5 статей в научных изданиях, из них 3 статьи опубликованы в ведущих рецензируемых изданиях, 1 статья из которых выполнена лично, а также 8 тезисов докладов, 5 из которых подготовлены лично.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, изложенных на 122 страницах, содержит 24 рисунка, 6 таблиц.

Список литературы

включает 50 наименований. Общий объем с приложениями составляет 124 страницы.

Выводы к главе 4.

В данной главе был сформирована методика инженерного расчета предельной протяженности регенерационной секции современных цифровых ВОСП-СР, которая учитывает основные недостатки существующих методов проектирования ВОСП-СР и может быть достаточно просто реализуема специалистами операторов связи.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В настоящей работе был выполнен анализ текущей ситуации, тенденций развития современных высокоскоростных магистральных транспортных сетей операторов связи, а также преимущества и недостатки существующих методов проектирования современных систем передачи. Это предопределило необходимость создания достаточно простой и в тоже время точной методики расчета предельной протяженности регенерационной секции ВОСП-СР, которая отсутствовала до настоящего времени как инструмент инженерного планирования транспортной сети.

Также предложен подход для оценки формы изменения импульса под влиянием хроматической дисперсии в сравнении с некоторыми существующими методами. Установлена однозначная зависимость между отношением сигнал/шум в оптических и электрических областях, что является необходимостью в случае оптоэлектронного преобразования. Рассмотрены некоторые дополнения, которые следует внести в существующие методы оценки влияния дисперсии.

Кроме того, рассмотрены основные форматы модуляции оптического сигнала (NRZ и RZ) по критерию обеспечения предельной протяженности регенерационной секции, а также получено аналитическое выражение, которое позволяет рассчитать вызванный дисперсионным уширением штраф по мощности. Было выполнено исследование и сформирован подход к оценке влияния фазовой модуляции на распространение оптического сигнала: получены аналитические выражения, оценивающие величину уширения спектра импульса из-за влияния фазовой модуляции. Показана возможность применения данных явлений для увеличения протяженности регенерационной секции современных многоканальных ВОСП.

Преимущество предложенного в настоящей работе подхода заключается в его универсальности: одновременный расчет нескольких механизмов снижения качества передаваемого сигнала. Поэтому достаточно владеть информацией о параметрах планируемой BOJIC, чтобы оценить качество сигнала — коэффициент ошибок или возможную предельную протяженность BOJIC при требуемом качестве к передаваемому сигналу, а это предоставляет возможность выполнять независимый расчет полностью контролировать этап планирования транспортной сети, учитывая большинство основных параметров BOJIC.

Кроме того, полученные в диссертации результаты совпадают в результатами практического внедрения современных ВОСП-СР. В работе показано: при использовании кода передачи с возвратом к нулю (RZ-формат) достигается большая по сравнению с кодом передачи без возврата к нулю протяженность регенерационной секции по критерию предельной скорости передачи цифрового сигнала, что соответствует результатам практического внедрения ВОСП-СР. Также определены оптимальные значения коэффициента заполнения, при которых достигаются предельные протяженности регенерационной секции, а полученные результаты соответствуют принятым для практического применения значениям коэффициента заполнения/: 0,33, 0,5 и 0,67. Полученное выражение для оценки дополнительных потерь мощности вследствие уширения импульса приводит к результатам, которые достигаются вследствие применения выражения, рекомендованного МСЭ-Т. Более того, результаты оценки протяженности регенерационной секции с учетом влияния хроматической дисперсии при использовании предложенного в диссертации подхода совпадают с результатами проектирования современных ВОСП-СР, т. е. математическая модель достаточно корректно учитывает влияние хроматической дисперсии в условиях слабого влияния нелинейных эффектов.

В настоящей работе не рассматривались изменения в тактовой частоте синхронизации, которые влияют на момент поступления сигнала или на момент стробирования в РУ. Однако используемые в настоящее время источники синхронизации имеют высокую стабильность, поэтому данный вопрос можно оставить за рамками исследования.

Также за пределами исследования остались нелинейные оптические явления, основанные на эффектах рассеяния, поскольку порог их возникновения несколько выше, чем у нелинейной ФМ.

Тем не менее, результаты исследования, выполненные в рамках данной работы, позволили сформировать универсальную методику инженерного расчета предельной протяженности регенерационной секции ВОСП-СР, которая обеспечивает возможность специалистам достаточно просто и точно выполнить расчет при планировании транспортной сети.

К наиболее значимым результатам, полученным в настоящей диссертационной работе, относятся:

1. Разработана методика расчета значения дополнительных потерь, связанных с уширением импульса из-за влияния хроматической дисперсии на распространение оптического сигнала в ОВ;

2. На основании проведенных теоретических исследований разработан метод, позволяющий учитывать влияние фазовой модуляции на распространение импульса оптического сигнала;

3. На основании проведенных исследований разработан метод расчета протяженности регенерационной секции ВОСП-СР в зависимости от основных параметров ВОСП-СР и кода передачи сигнала с учетом требуемого значения коэффициента ошибок.