CC BY
70
ДИНАМИКА РАЗВИТИЯ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ ЛИНИИ И ИХ СРАВНЕНИЕ С РАДИОЧАСТОТНЫМИ СИСТЕМАМИ
Портнов Эдуард Львович,
д.т.н., профессор, зав. кафедрой НТС, МТУСИ, Россия, Москва, [email protected]
Мариносян Эмиль Хачатурович,
аспирант кафедры НТС, МТУСИ, Россия, Москва, [email protected]
Ключевые слова: оптическое волокно, радиочастотные системы, дисперсия, нелинейность, коэффициент битовых ошибок.
Емкость проводных систем постоянно увеличивалась со дня их создания от нескольких бит в секунду до систем со скоростью десятки терабит в секунду (Тбит/с) в настоящее время и это еще не предел. Считается, что емкость транспортных систем удваивается каждые два года. Нет оснований предполагать, что рост емкости современных систем закончится в ближайшее время. Настоящее столетие провозглашено эрой петабит в секунду с дальнейшим совершенствованием одномодовых оптических волокон, что приводит к удваиванию системной суммарной емкости каждый год. Такое революционное решение стало возможным при создании новых оптических устройств при полном переходе к оптическим транспортным системам. Такая динамика развития стала возможной с 70-х годов прошлого века, начиная с введения светоизлучающих диодов и многомодового оптического кварцевого волокна с одноканальной емкостью 45-90 Мбит/с с передачей на 10 км. К середине 80-х годов одномодовое волокно и инжекционные лазеры позволили передавать скорости от 565 Мбит/с до 2,5 Гбит/с через расстояние до 100 км без регенерации. Уже к началу 2000-х благодаря технологии спектрального уплотнения скорость преодолела терабитный предел и достигла 10,92 Тбит/с. К концу 2010-х, посредством мультиплексирования каналов, скорость передачи достигла более 15 терабит в секунду. Уже в лабораторных условиях постигнут предел в 40 Тбит/с. Несмотря на многие преимущества, привнесенные электронной обработкой сигналов и цифровой технологии коммуникации, нужно отметить, что оптическая волоконная сеть существенно отличается от радиочастотных каналов связи и фундаментально, и технологически. Оптическое волокно - среда передачи, позволяющая передавать огромное количество информации: весь радиочастотный спектр 3 кГц-200 ГГц может быть легко передан по одному волокну. Обобщены некоторые основные отличия между оптическими и радиочастотными каналами и дана оценка их совместного использования на телекоммуникационной сети.
Для цитирования:
Портнов Э.Л., Мариносян Э.Х. Динамика развития волоконно-оптических линий и их сравнение с радиочастотными системами // T-Comm: Телекоммуникации и транспорт. - 2015. - Том 9. - №12. - С. 51-55.
For citation:
Portnov E.L., Marinosyan E.H. Dynamics of development of fiber-optic lines and their comparison with radio frequency systems. T-Comm. 2015. Vol 9. No.12, рр. 52-55. (in Russian).
T-Comm Том 9. #12-2015
Емкость проводных систем постоянно увеличивалась со дня их создания от нескольких бит в секунду до систем со скоростью десятки терабит в секунду (Тбит/с) в настоящее время и это еще не предел. Считается, что емкость транспортных систем удваивается каждые два года. Нет оснований предполагать, что рост емкости современных систем закончится в ближайшее время. Настоящее столетие провозглашено эрой петабит в секунду с дальнейшим совершенствованием одномодовых оптических волокон, что приводит к удваиванию системной суммарной емкости каждый год. Такое революционное решение стало возможным при создании новых оптических устройств при полном переходе к оптическим транспортным системам. Такая динамика развития стала возможной с 70-х годов прошлого века, начиная с введения светоизлучающих диодов и многомо-дового оптического кварцевого волокна с одноканаль-ной емкостью 45-90 Мбит/с с передачей на 10 км. К середине 80-х годов одномодовое волокно и инжекци-онные лазеры позволили передавать скорости от 565 Мбит/с до 2,5 Гбит/с через расстояние до 100 км без регенерации. Уже к началу 2000-х благодаря технологии спектрального уплотнения скорость преодолела терабитный предел и достигла 10,92 Тбит/с. К концу 2010-х, посредством мультиплексирования каналов, скорость передачи достигла более 15 терабит в секунду. Уже в лабораторных условиях постигнут предел в 40 Тбит/с.
После замены коаксиальных кабельных систем оптическими были внедрены оптические эрбиевые усилители в 90-ые годы прошлого века, что значительно отодвинуло устройства электронной регенерации на значительное расстояние и импульсная дисперсия и лазерный чирп становится ограничивающим фактором. Это привело к развитию коммутационных систем на местных центральных офисах и объединением групп местных станций в несколько сотен тысяч до одного миллиона абонентов, которые обслуживаются кросс-коннект коммутаторами в больших офисах. Аналогичная ситуация существует в сетях передачи данных с маршрутизаторами - Интернет Протоколами, обслуживающими средние, базовые и оконечные соответствующие сети. Магистральные сети базируются на передаче голоса и данных и пользуются поддержкой конечных пользователей. Одним из основных показателей транспортной сети является размер транспортной емкости к требованию средней или максимальной, которая диктует высокую степень ресурса сети среди конечных пользователей [1-3].
При канальной символьной скорости от 40 до 100 Гбод возможности электронной компенсации все еще ограничены низкой сложностью структур электронных и оптических устройств. В этой области представляют основной интерес форматы модуляции и линейное кодирование. Они используются, чтобы минимизировать линейные и нелинейные ухудшения оптоволоконной передачи, а также достигнуть высокой спектральной эффективности в сетях с оптической маршрутизацией.
При скорости 40 Гбит/с РЕС (упреждающая коррекция ошибки) - стандартная функция коммерчески развернутых оптических транспортных систем становится эффективной.
Несмотря на многие преимущества, привнесенные электронной обработкой сигналов и цифровой технологии коммуникации, нужно отметить, что оптическая волоконная сеть существенно отличается от радиочастотных каналов связи и фундаментально, и технологически. Оптическое волокно - среда передачи, позволяющая передавать огромное количество информации: весь радиочастотный спектр ЗкГц-200ГГц может быть легко передан по одному волокну.
Некоторые основные отличия между оптическими и радиочастотными каналами обобщены в табл. 1 [4, 5].
Таблица 1
Сравнение оптических и радиочастотных систем коммуникации
Оптическая связь Радиочастотная связь
Фундаментальные
Шум Квантовый Тепловой
Помехи Многолучевость, перекрестные помехи WDM Много путевые, многопользовательские
Канал Нелинейность оптоволокна + дисперсия Линейный канал, замирание
Динамика канала -кГц (постоянная, для -107 битов) -кГц (постоянная, для -Ш'.-Ю3 битов)
Технологические
Электрическая полоса пропускания -60 ГГц - ограничена технологией (полоса пропускания/несущая от 10й до 1СГ6) Ограничена регулированием спектра (полоса пропускания/несущая от 1СГг до КГ4)
Обнаружение Преимущественно квадратичное Преимущественно когерентная (1/0) демодуляция
Цифровая обработка Довольно простая компенсация и РЕС Экстенсивно используется, комплексная
Показатель мощности на информационный бит Довольно низкий Очень высокий
Самое важное фундаментальное различие между оптической и радиочастотной связью заключается в присутствии нелинейных искажений в оптическом волоконном канале связи. Высокое поперечное ограничение оптического сигнального поля в сердцевине волокна с эффективным сечением от 20 до 110 мм2 является причиной того, что интенсивность света достигает или превышает мегаватт/см2. При таких высоких оптических интенсивностях показатель преломления оптоволокна реагирует на присутствие оптических сигналов в виде оптического эффекта Керра и вызванные сигна-
7Т\
лом изменения показателя преломления переходят в изменения фазы оптических сигналов. На расстояниях с оптическим усилением, достигающих многих сотен или даже несколько тысяч километров, эти вращения фазы вместе с дисперсией волокна приводят к различным волновым искажениям, которые увеличиваются с мощностью сигнала. Как следствие и как абсолютный контраст с классическими радиочастотными системами, пропускная способность оптического канала связи достигает максимума при определенном уровне мощности сигнала, который обеспечивает оптимальный компромисс между шумом оптического усилителя (усиленной спонтанной эмиссией, ASE) и нелинейностью Керра в волокне. Как пример, на рис. 1,а показана измеренная частота ошибок в битах (BER) как функция начальной мощности сигнала для различных форматов оптической модуляции при передаче через более чем 1980 км по стандартному одномодовому оптоволокну (SSMF) [3].
-2
í
ш , СО "3
£ -5 а
-6 -9
* m it\ qjTAHi
\
4о й-а
ж Maximum speclral efficiency 8
/ Щ %
\
-г о г 4 Signal launch power (dBm)
2 (a)
SNR (dB) -»
Signal launch power (dBm)
2 <b>
Рис. 1,
a) Измеренная ВЕР в зависимости от выходной мощности сигнала для различных оптических форматов модуляции;
b) Схематическое представление пропускной способности волоконного канала связи в зависимости от полученного БШ
Рисунок показывает компромисс между характеристикой, обусловленной ASE, при низкой мощности входного сигнала и характеристикой, обусловленной нелинейностью волокна, при высокой мощности, отмечены различные оптимальные характеристики при оптимальной входной мощности для конкретных форматов. На рисунке 1,Ь схематично показано поведение пропускной способности волоконного канала как функции полученного отношения сигнал-шум (SNR) Вследствие квантово-механических нижних ограничений шума оптического усилителя SNR может только увеличиваться при более высокой начальной мощности сигнала, что в конечном счете приводит к нелинейным искажениям сигнала. Отметим, что, работая с оптимальной производительностью, каждая система оптоволоконной связи показывает признаки нелинейного искажения сигнала.
Оба случая показывают максимальную производительность при определенном уровне мощности сигнала, представляя оптимальный компромисс между шумом оптического усилителя и нелинейностью Керра волок-
на: 1 - частота ошибок в битах (BER); 2 - входная мощность сигнала (дБм); 3 - несимметричное обнаружение, симметричное обнаружение; 4 - пропускная способность С (бит/с); 5 - Шеннон; б - нелинейность волокна; 7 - шум; 8 - максимальная спектральная эффективность. Второе главное различие между оптическими и радиочастотными системами коммуникации как с фундаментальными, так и с технологическими последствиями, - высокая абсолютная полоса пропускания оптических коммуникационных сигналов. В общем случае и как доказано историческим развитием оптических систем максимально возможная битовая скорость в канале всегда приводила к самой низкой стоимости, занимаемой площади и потребляемой мощности в расчете на передачу одного информационного бит из конца в конец сети каждый раз, когда основополагающие технологии достигали достаточной зрелости. Поэтому оптические системы коммуникации всегда поднимали ограничения, свойственные высокоскоростным электронным и оптикоэлектронным компонентам, вплоть до систем передачи на скорости 100 Гбит/с, которые представляют в настоящее время предельные возможности электронных мультиплексирования и демультиплексирования. Абсолютная полоса пропускания на канал оставляет немного места для реализации сложных алгоритмов обработки сигналов, включая когерентное обнаружение с цифровым захватом фазы ("интрадинное" обнаружение). Вместе с тем, те преимущества, которое имеет оптическое волокно перед медными (симметричными и коаксиальными) кабелями позволяет в будущем полностью его использовать на всех участках сети, и только радиочастотная связь будет участвовать в общей сетевой технологии.
Несомненно, преимущества оптических волоконно-оптических линий имеют важное значение при протяженных трассах, больших и малых сетях, тогда, как радиочастотная связь оптимальна при малых расстояниях непосредственно для абонентов. Сочетание волоконно-оптических и радиочастотных технологий позволяет оптимально их объединить и использовать в едином формате.
Литература
1. Иванов A.B. Волоконная оптика: компоненты, системы передачи, измерения. - М.: САЙРУС СИСТЕМС, 1999. - 671 с.
2. Портнов Э.Л. Оптические кабели и пассивные компоненты волоконно-оптических линий связи. - М.: Горячая линия-Телеком, 2007. - 464 с.
3. Лисгвин A.B., Листвин В.И. Оптические волокна для линий связи. - М.: ВЭЛКОМ, 2003. - 288 с.
4. Волоконно-оптическая техника: современное состояние и перспективы, изд. 2-е, перераб. и доп.\под ред. С.А. Дмитриева, H.H. Слепова. М.: ООО «Волоконно-оптическая техника». - 2005. - 576 с.
5. Портнов Э.Л. Принципы построения первичных сетей и оптические кабельные линии связи. - М.: Горячая линия-Телеком, 2009. - 544 с.
T-Comm Том 9. #12-2015
COMMUNICATIONS
DYNAMICS OF DEVELOPMENT OF FIBER-OPTIC LINES AND THEIR COMPARISON WITH RADIO FREQUENCY SYSTEMS
Portnov Eduard, Moscow Technical University of Communications and Informatics, Head of the Department DTE, Doctor of Technical Sciences, Professor, Academician of the ATI, Moscow, Russia, [email protected]
Marinosyan Emil, Moscow Technical University of Communications and Informatics, Postgraduate Student of the
Department DTE, [email protected]
Abstract
The capacity of transmission systems has increased steadily since their creation from a few bits per second to systems at a rate of tens of terabits per second (Tb/s) in real time and this is not the limit. It is estimated that the capacity of transportation systems doubles every two years. There is no reason to assume that the increase in capacity of modern systems will end soon. The present century proclaimed the era petabit per second with the further improvement of single-mode optical fiber, resulting in a doubling of the total system capacity every year. This revolutionary solution has been made possible with the development of new optical devices with the full transition to optical transport systems. This dynamic development has become possible with the 70-ies of the last century, since the introduction of light-emitting diodes and a multimode optical fiber with a quartz-channel capacity of 45-90 Mbit/s transmission at 10 km. By the mid-80s, single-mode fiber and injection lasers allowed the transfer rate of 565 Mb/s to 2.5 Gb/s over a distance of up to 100 kilometers without regeneration. By the early 2000s, thanks to WDM technology has overcome the speed limit and Terabit reached 10.92 Tb/s. Towards the end of 2010s, by multiplexing the channels, the transmission speed has reached more than 15 terabits per second. Already in the laboratory comprehend the limit of 40 Tb/s. Despite the many benefits brought about by the electronic signal processing and digital communications technology, it should be noted that the optical fiber network is significantly different from the radio frequency communication channels and fundamentally, and technically. Optical Fiber - transmission medium that allows to transfer huge amount of information: the whole radio spectrum 3 kHz-200 GGts can be easily transmitted over a single fiber. In the work summarized some of the main differences between optical and radio channels and assess their joint use in a telecommunication network.
Keyword: optical fiber, radio frequency systems, dispersion, nonlinearity, the ratio of bit errors.
References
1. Ivanov A.B. Fiber Optics: components of a transmission measurement. Moscow: Cyrus SYSTEMS, 1999. 671 p. (in Russian)
2. Portnov E.L. Optical cables and passive components of fiber optic communication lines. Moscow: Goriachaia liniia-Telekom, 2007. 464 p. (in Russian)
3. Listvin A.V, Listvin V.N. Optical fiber communication lines. Moscow: VELKO, 2003. 288 p. (in Russian)
4. Fiber-optic technology: current status and prospects. ed. 2nd, Revised. and add. / ed. Dmitriev S.A., Slepova N.N. Moscow: Fiber-optic technology, 2005. 576 p. (in Russian)
5. Portnov E.L. The principles of construction of primary networks and optical cable lines. Moscow: Goriachaia liniia-Telekom, 2009. 544 p. (in Russian)
