CC BY
138
М.Н. Иманкул
доценткафедрывычислительнойтехники,к.т.н., Евразийскийнациональныйуниверситетим. Л.Н. Гумилева ([email protected])
M.N. Imankul
associate professor Department of Computer Science, Eurasian National University named after L.N. Gumilyov, PhD
Г.Д. Касимова
магистрант, Казахский агротехнический университет им. С. Сейфуллина
G.D. Kasimova
Magistrantis Department of S. Seifullin Kazakh AgroTechnical University
([email protected], 87078082419)
ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДОВ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ СИСТЕМ ПЕРЕДАЧИ
Аннотация. Рассмотрены некоторые аспекты проектирования волоконно-оптических систем передачи. Проведен анализ особенностей, преимуществ и недостатков волоконной оптики, влияющих на качественные показатели проекта. Annotation. Some aspects of the design of fiber-optic transmission systems. Analyzed the features of the advantages and disadvantages of fiber optics, affecting the quality indicators project.
Ключевые слова: оптическое волокно, качество, длина волны, мультиплексирование.
Keywords: optical fiber, quality, wavelength, multiplexing.
Введение.
В эпоху мультимедийного и видеообмена с сетью Интернет перманентно растут требования к скорости обмена и полосе пропускания сетей доступа, что делает привлекательными оптоволоконные технологии. Существующее оборудование на базе технологии SDH (SynchronousDigitalHierarchy, синхронная цифровая иерархия) весьма ограничено в плане модернизации. Необходим переход на технологии более высокого уровня. Сеть с системами передач SDH, с помощью которых организуются стандартные цифровые каналы и тракты, обеспечивает работу канала связи только для передачи информации, используя оптическое волокно, позволяющее получить высокоскоростные коммуникационные магистрали (транспорт). Проблемы электромагнитной совместимости при внедрении широкополосного доступа, например по технологии xDSL (Digital Subscriber Line, цифровая абонентская линия), диктуют замену электропроводного многожильного медного кабеля на оптический. Целью работы является выявление методов проектирования волоконно-оптических систем передачи, которые позволяют эффективно использовать сети в настоящее время, развивать их в перспективе.
Основная часть.
Современные волоконно-оптические системы передачи - концентратор практического использования фундаментальных наук (физики, математики, химии, компьютерных технологий), их практической необходимости и полезности [1]. Они должны обладать высокой скоростью, широкополосностью, стабильностью, надежностью, высокой степенью достоверности передачи информации.
Передача данных (физический перенос данных) - один из основных процессов в сети связи. Волоконно-оптическая линия связи служит средой передачи для
различных прикладных задач. Сегодня стоимости волоконно-оптического кабеля и медного сравнялись. Это свидетельствует о том, что при одинаковой стоимости капитальных затрат, при реализации новых проектов удельная стоимость единицы информации для волоконно-оптических систем передачи будет существенно снижена.
При использовании меди дальность передачи ограничена, есть частотные искажения. Волоконный световод как среда передачи сигнала обладает существенно лучшими частотными характеристиками: в нем затухание не зависит от частоты и остается перманентной в определенном диапазоне частот. Также оптическому кабелю присущи достоинства: невосприимчивость к электромагнитным и радиочастотным помехам и наводкам; неподверженность молниям, скачкам высокого напряжения и электростатическим электромагнитным влияниям; безопасная среда для передачи информации; конфиденциальность; отсутствие частотных искажений; др. В волоконно-оптических системах передачи потери неизменны на всех скоростях передачи во всем специфицированном частотном диапазоне.
Особенности волоконно-оптических систем передачи, в которых принципиально отсутствует значимое для практики взаимовлияние отдельных цепей, обусловлены тем, что носителем информации служит поток фотонов. Особенности оптического диапазона и используемой элементной базы накладывают свои ограничения на возможности системы. Основными недостатками волоконно-оптических линий связи служат: подверженность световодов радиации, вызывающей появления пятна затемнения; водородная коррозия стекла, порождающая микротрещины в световоде.
Модель волоконно-оптической системы передачи включает в себя компоненты [2]:
- передатчик, преобразующий электрический сигнал в световой;
- волоконно-оптический кабель (среда, по которой распространяется световой сигнал), состоящий из оптического волокна и защитных оболочек;
- приемник, принимающий световой сигнал и обратно преобразующий его в электрический сигнал;
- соединители (коннекторы), служащие для подключения оптического волокна к источнику, детектору и для соединения оптических волокон между собой.
В передатчике преобразование реализует источник (лазерный или светоизлу-чающий диод), который должен эффективно сопрягаться с малым диаметром сердечника оптического волокна. Источник должен иметь: высокую мощность излучаемого света; высокую надежность, малые размеры, вес, стоимость. Управляющее устройство преобразует входной сигнал в сигнал определенной формы, необходимый для управления источником.
Возможности лазерного излучения для передачи информации в десятки тысяч раз превышают возможности радиоизлучения. Лазер (оптический квантовый генератор) генерирует когерентное излучение, использует вынужденное излучение активной среды, а светоизлучающий диод - спонтанное. Оптические характеристики источника и оптического волокна должны быть согласованы.
Для оценки выходной мощности передатчика следует знать мощность источника, диаметр и апертуру оптического волокна и источника, ожидаемые потери в соединителе. Основные причины появления потерь в коннекторах: внутренние (из-
за нестабильности параметров самого волоконного световода): внешние, обусловленные непосредственно соединителем; системные (из-за факторов, порожденных параметрами системы в целом). Разъемы должны гарантировать многократное подключение и отключение без какого-либо изменения уровня потерь.
При возрастающей конкуренции на рынке должен обеспечиваться должный уровень QoS (QualityofService, качество обслуживания). На качественные показатели волоконно-оптических систем передачи влияют параметры оптических компонентов, а качество сигнала в данных системах зависит от отношения средней энергии сигнала к средней энергии шумов различной природы. Шум - неустранимый эффект, любое возмущение электрического или оптического характера, отличное от полезного сигнала.
Для трансформации оптической энергии в электрический ток используют детектор (на pin- или лавинных фотодиодах). Шум ограничивает работу приемника, определяет уровень минимальной детектируемой мощности. Чувствительность приемника - минимальный по мощности оптический сигнал, который может быть обработан. К фотодиодам в волоконно-оптических системах передачи предъявляются следующие требования: высокая чувствительность; требуемые спектральная характеристика и широкополосность; низкий уровень шумов; требуемое быстродействие; большой срок службы. Для обеспечения высокой чувствительности к излучению фотодиод работает без внешнего напряжения (или на обратном внешнем напряжении). Выходные устройства приемника усиливают сигнал при необходимости и изменяют его форму.
Перед проектированием любой системы необходим предварительный сбор информации о необходимости (назначении) и перспективах развития, условиях работы и ее размещению. Выбор варианта выполняется в соответствии с анализом отношения стоимости к эффективности. Между стоимостью волоконно-оптических систем передачи и предпочтительным уровнем их производительности всегда будут компромиссы.
К проектированию волоконно-оптического канала предъявляются следующие требования [3]:
- определение основных параметров проектируемого канала (службы (сервисы, услуги), которые будут предоставляться; скорости передачи данных; дистанция связи; маршруты кабелей; требуемые рабочие характеристики волоконно-оптических систем передачи и др.);
- расчет ожидаемых рабочих параметров соединения (потерь мощности линии связи).
Выбранная технология волоконно-оптической системы передачи зависит от дистанции передачи, приложений клиента, требований пропускной способности и скорости передачи. При проектировании волоконно-оптических систем передачи важно определить ожидаемый рост в перспективе объемов передачи данных на узле (резерв пропускной способности линий связи), так как добавление дополнительных оптических волокон в пролете кабеля, модернизация установленных кабелей обходится дороже. Волоконно-оптические сети легко можно модернизировать для передачи большого объема информации путем замены только приемопередающего оборудования. Надежность системы зависит от качества оборудования, волоконно-оптического кабеля.
В частности, высокая плотность конструкции ленточных оптических кабелей кроме поддержки функционирования 40- и 100-гигабитных сетевых интерфейсов дает в 3 раза ниже разброс времени задержки (skew) при параллельной передаче, чем у кабелей со свободной укладкой отдельных волокон.
Возможность резервирования канала передачи информации повышает отказоустойчивость волоконно-оптических систем передачи в целом в случае разрыва оптического волокна или выхода из строя активных компонентов. Надежность волоконно-оптической сети зависит от наличия альтернативных путей от источника к приемнику. Поэтому важно нахождение алгоритма сети с приемлемыми параметрами, анализ вариантов дублирования маршрута и/или альтернативного маршрута.
Выбор рабочей длины волны диктуется приложением, используемым в системе. Например, стандарт FDDI (FiberDistributedDatalnterface, распределенный интерфейс передачи данных по волоконно-оптическим каналам) требует передачи на длине волны 1300 нм. Данную длину волны рекомендуется использовать во всей сети, что исключит проблемы с совместимостью передающего и приемного оборудования, дублирования запчастей и тестирующего и обслуживающего оборудования [3]. Сеть FDDI строится на базе двух оптоволоконных колец, образующих основной и резервный маршруты передачи данных между узлами волоконно-оптической сети. Для отказоустойчивости узлы подключаются к обоим кольцам. При отказе (обрыве кабеля/отказе узла) первичное кольцо интегрируется со вторичным, образуя одно кольцо. Такая операция реализуется концентраторами и/или сетевыми адаптерами FDDI.
По мере движения света по оптическому волокну происходит потеря оптической мощности (затухание). Выбор типа кабеля связан с тем, что оптическое волокно с меньшими потерями и широкой полосой пропускания принимает меньше света, чем оптическое волокно с большими потерями и меньшей полосой пропускания. Многомодовые оптические волокна эффективно собирают свет от дешевых свето-излучающих диодов и имеют низкую пропускную способность, а одномодовые оптические волокна имеют полосу пропускания на много порядков выше. Поэтому на сравнительно коротких дистанциях применение многомодового оптического волокна с большими внутренними потерями даст меньшее затухание сигнала и более выгодно.
В многомодовом оптическом волокне распространяется большое количество мод, каждая из которых имеет свои характеристики распространения. Из-за неравных скоростей распространения различных мод появляется межмодовая дисперсия (расширение импульса, приводящее к сужению полосы пропускания). Значение мощности, которое можно ввести в многомодовое волокно, определяется цифровой апертурой и диаметром сердцевины оптического волокна. Полоса пропускания од-номодового оптического волокна зависит только от хроматической дисперсии, а длина волны отсечки определяет самую низкую длину волны, которую следует использовать.
Топология (физическое размещение) маршрута прокладки оптического кабеля тесно связана с функциями сети, ее пропускной способностью, надежностью, стоимостью. Выбранное передающее и приемное оборудование должно соответствовать проектным параметрам волоконно-оптических систем передачи. Во время проектирования и инсталляции проводят мониторинг и тестирование рассматри-
ваемых систем. Измерения в них делятся на системные и эксплуатационные. Системные измерения выполняются оптическим рефлектометром. Они определяют целостность оптоволокна, коэффициент битовых ошибок, чувствительность. Эксплуатационные измерения определяют функционирование системы через такие параметры передачи, как потери, дисперсия, ширина линии лазера.
Для больших пробегов кабеля, когда в нем наблюдается затухание или коннекторы и соединения снижают уровень передаваемого сигнала ниже минимального уровня, требуемого приемником, необходимо использовать повторитель или усилитель (между передатчиком и кабелем или между приемником и кабелем на любом расстоянии вдоль волоконно-оптического кабеля). Повторитель устанавливается на отдаленном расстоянии вдоль кабеля, где уровень сигнала снижается до минимально допустимого. Повторители нуждаются в техническом обслуживании, но не вносят шум (в отличие от усилителя), а устраняют шум из сигнала.
В частности, может оказаться, что дешевле использовать единственный пробег кабеля, с высококачественными лазерными источниками, чем использовать несколько участков кабеля с многомодовым оптическим волокном с повторителями и светодиодами. С другой стороны, может оказаться верным и обратное. Также из-за меньшей стоимости всегда предпочтительнее выбирать наименьшую возможную рабочую длину волны, при которой для приложения, которое будет применяться, возможны удовлетворительные расстояние и скорость передачи.
Через каждые пять лет происходит практически полное обновление элементной базы волоконно-оптических систем передачи. Вследствие сложности и затратности реконструкции линий связи, принята следующая последовательность проектных процедур:
- выбор каналообразующей аппаратуры, типа оптического кабеля, источника и приемника оптического излучения в соответствии с техническим заданием на проект (число каналов для передачи различных видов трафика, требования к качеству передачи) и существующей/разрабатываемой элементной базой волоконно-оптических систем передачи;
- разработка схемы организации связи (анализ топологии построения волоконно-оптической сети, выбор вариантов трасс);
- определение параметров линейных трактов волоконно-оптических систем передачи (полоса пропускания; число ретрансляторов; длина ретрансляционного участка). На данном этапе обязательна многовариантность в выборе компонентов проектируемой системы передачи на базе технико-экономического сопоставления;
- в рамках достижения технологии (с учетом стоимости) устанавливается диапазон предпочтительных технических характеристик элементов волоконно-оптических систем передачи;
- выбор конкретного оптического кабеля (в зависимости от условий прокладки, монтажа, эксплуатации), передающих и приемных оптических модулей и других элементов системы передачи;
- выбор оптимального по конкретным критериям волоконно-оптической системы передачи по результатам расчета технико-экономических показателей различных альтернативных вариантов, их сопоставления.
Технология SDH сегодня вытесняется на электрическом уровне - технологиями Carrier Ethernet и MPLS (Multi-ProtocolLabelSwitch, многопротокольная
коммутация на основе MeTOK)-TransportProfile, а на фотонном уровне - технологиями оптической транспортной иерархии, обеспечивающими прозрачность передачи и кросс-коммутации совокупности традиционного TDM (Time-DivisionMultiplexing, временное мультиплексирование (уплотнение))- и пакетного трафика в любом сочетании с дальнейшей их передачей по каналам систем с разделением каналов по длине волны оптического излучения (систем со спектральным уплотнением каналов) - WDM (WavelengthDivisionMultiplexing). Суть метода WDM состоит в том, что ряд независимых информационных потоков, передаваемых каждый на своей оптической несущей, с помощью оптических мультиплексоров объединяются в один оптический сигнал, после чего он вводится в оптическое волокно. На приемной стороне производится обратная операция демультиплексирования. WDM позволяет увеличить пропускную способность волоконно-оптических систем передачи. Системы со спектральным уплотнением позволяют наращивать скорость передачи трафика по мере появления потребностей по однажды проложенному волоконно-оптическому кабелю.
Достижение заданной дистанции передачи ранее достигалось внедрением оптических и квантовых технологий по двум направлениям: разработкой новых типов оптического волокна с затуханием, близким к теоретическому пределу; созданием оптических усилителей, позволяющих резко увеличить мощность оптических сигналов на входе линии и компенсировать потери в оптоволокне [1]. В оптических сетях нового поколения NGN (NextGenerationNetworks) для решения подобной задачи используют оптические сети доступа PON (PassiveOpticalNetwork).
Главный архитектурный принцип построения NGN - отделение транспортного уровня от уровня формирования услуг, что позволяет им развиваться относительно независимо. Традиционная транспортная основа NGN - оптический транспортный слой, состоящий из: нижнего слоя транспортного уровня, который представлен оптическим волокном; слоя прозрачных оптических каналов, находящегося над нижним слоем и образованного с помощью технологии мультиплексирования по длинам волн. При переходе от традиционной к полностью оптической транспортной сети основная функция будет реализована на оптическом уровне без преобразования в электронную форму. Оптический транспортный слой приобретает функциональность, не уступающую SDH. Таким образом, функциональность оптической транспортной сети делает ненужным использование SDH в качестве адаптера пакетных технологий к оптическому транспортному уровню, дает наилучший результат по критерию качество/стоимость [5].
Применение той или иной технологии доступа зависит от многих факторов (например вида услуги, ее широкополосности и существующей инфраструктуры сетей). PON - участок сети, составляющий «последнюю милю», для передачи сигналов по которому не требуются питаемые или активные электронные устройства. Имеются разные стандарты на их построение (например, EPON (EthernetPON), lOGEPON, APON (ATM (AsynchronousTransferMode) PON), GPON (Gigabit-capablePON)). В APON для транспортировки сигнала используется АТМ, а в EPON в качестве транспортного протокола применяют протокол GigabitEthernet.
Главная концепция архитектуры PON - использование одного приемопередающего модуля в OLT (opticallineterminal), служащего центральным узлом/коммутатором PON, для передачи информации множеству клиентских уст-
ройств ONU (opticalnetworkunit) и приема информации от них. OLT - коммутаторы, управляющие доступом к PON, рассылают многочисленные клиентские потоки с помощью лазера, мощность которого достаточна для компенсации как оптической дисперсии вдоль множественных путей, так и затухания сигнала в каждой точке соединения [4].
Число клиентских узлов, работающих с одним приемопередающим модулем OLT, зависит от бюджета мощности и максимальной скорости приемопередающей аппаратуры. Может превышать более 1000 клиентов на OLT-порт. Для передачи нисходящего потока информации (от OLT к ONU), как правило, применяют длину волны 1490 нм, а в восходящем потоке (потоки данных от разных клиентских узлов в центральный узел) - 1310 нм. Для передачи сигналов телевидения используется длина волны 1550 нм. Для разделения нисходящего и восходящего потоков в OLT и ONU встроены мультиплексоры WDM.
С ростом пропускных способностей и объема трафика усугубляются проблемы, связанные, например, с последствиями от потерь. Это требует дополнительных систем управления и мониторинга, позволяющих прямо из центра технической поддержки контролировать работу клиентского оборудования. Технология GPON имеет встроенный механизм управления и мониторинга сетевым трафиком, что гарантирует высокую скорость доступа и качество предоставляемых услуг. Чем выше значение пропускной способности и объем трафика, тем больше ответственность и тем востребованными становятся дополнительные системы управления и мониторинга. Высокоскоростной доступ GPON предоставляет каналы 40 Мбит/с (от станции к потребителю услуг) на клиента. На один перспективный телеканал качества HD (высокой четкости) потребуется пропускная способность в 20 Мбит/с. В частности, компанией Motorola разработан промежуточный усилитель для сетей GPON, позволяющий увеличить максимальное расстояние между устройствами OLT и ONT в сети GPON по меньшей мере до 60 км.
Преимущества, которые дает расширение GPON-сети: существенная экономия капитальных и эксплуатационных расходов; единый интерфейс для оптического волокна; возможность легкого усовершенствования до 40 Гбит/с; простая масштабируемость и возможность модернизации; отказоустойчивость и балансировка трафика; высококачественное предоставление пакета услуг Triple Play (передача голоса, видео и данных); мультиэксплуатация (оптоволоконная инфраструктура, эксплуатируемая многими операторами); другие.
Выводы. Перспективная транспортная сеть должна гарантировать экономически эффективную агрегацию любого клиентского трафика и его надежную, высококачественную доставку по каналам связи. При проектировании магистрали перспективным направлением транспортных сетей вообще (и транспортного слоя NGN, в частности) служит полностью оптическая транспортная сеть. В качестве технологии последней мили необходимо использовать GPON, позволяющую эффективно строить новые высокоскоростные сети и обеспечивающую высокие скорость доступа и качество предоставляемых услуг. Чтобы не проиграть в конкурентной гонке необходимо в проектируемые волоконно-оптические системы передачи встроить системы мониторинга сетей и услуг связи. На всех этапах эволюции волоконно-оптическая техника значительно опережала и превосходит системы, выполненные на электропроводном кабеле по широкополосной «дальнобойности».
Ряд сложнейших технических проблем, возникающих при создании новых перспективных сетевых интерфейсов, проще решаются на базе волоконно-оптических систем, чем на основе электропроводных. Сегодня волоконно-оптические системы передачи вносят свою лепту в процесс формирования средств инфокоммуникаций с практически неограниченной пропускной способностью и дальностью передачи.
Список источников:
1. Скляров О.К. Волоконно-оптические сети и системы связи: Учебное пособие. 2-е изд., стер. - СПб.: Лань, 2010. - 272 с.: ил.
2. Дональд Дж. Стерлинг. Техническое руководство по волоконной оптике. - М.: Лори, 1998.
3. Бейли Д., Райт Э. Волоконная оптика: теория и практика / Пер. с англ. - М.: Ку-диц-Образ, 2006. - 320 с.
4. Гринфилд Д. Оптические сети. - К.: ООО «ТИД «ДС»», 2002. - 256 с.
5. Меккель А.М. Нужна ли полностью оптическая транспортная сеть в эпоху NGN // Электросвязь, № 10, 2008. - С. 19-22.
