Научная статья на тему 'Повышение пропускной способности оптических линий связи'

Повышение пропускной способности оптических линий связи Текст научной статьи по специальности «Общие и комплексные проблемы естественных и точных наук»

CC BY
153
67
Поделиться
Ключевые слова
ПРОПУСКНАЯ СПОСОБНОСТЬ / ОПТИЧЕСКИЕ ЛИНИИ / НАНОТЕХНОЛОГИИ

Аннотация научной статьи по общим и комплексным проблемам естественных и точных наук, автор научной работы — Журавлева Любовь Михайловна

Проанализирована пропускная способность оптических линий связи на примере технологий TDM и WDM. Рассмотрены потенциальные возможности повышения скорости передачи информации. Предложены пути увеличения пропускной способности ВОЛС с помощью нанотехнологийThis passage analyses possibilities of capacity growth of an optical links in terms of the TDM and WDM technologies. It examines possibilities of optical fiber transmission system. The author describes the ways of increase information transfer rate by applying an nanotechnologies

Похожие темы научных работ по общим и комплексным проблемам естественных и точных наук , автор научной работы — Журавлева Любовь Михайловна,

Текст научной работы на тему «Повышение пропускной способности оптических линий связи»

Ь Пп 1 > ^ » а, - Г(р')

* "О и * 1

£

о

1 г

е-

тю

ь,

2

Ф--

{V}

Рис. 3. Генератор «прямых» и инверсных ЛРД-последовательностей с периодом 21

Ц = 0 - «прямая» ЛРД-последовательность; Ц = 1 - инверсная ЛРД-последовательность

Таким образом, «прямые» и инверсные рекуррентные последовательности (М-последовательности, последовательности Го-улда, ЛРД-последовательности и др.) могут быть

выделены на приеме с помощью одного устройства, работающего по мажоритарному принципу на основе двойственного базиса [2].

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Вишневский, В.М. Широкополосные беспроводные сети передачи информации [Текст]/В.М. Вишневский, А.И. Ляхов, С.Л. Портной [и др.]. -М.: Техносфера, 2005.

2. Когновицкий, О.С. Двойственный базис и его применение в телекоммуникациях [Текст]/О.С. Когновицкий. -СПб.:Линк, 2009.

УДК 621.391

Л.М. Журавлева

ПОВЫШЕНИЕ ПРОПУСКНОЙ СПОСОБНОСТИ ОПТИЧЕСКИХ ЛИНИЙ СВЯЗИ

Огромные потенциальные возможности оптических линий связи по широкополосности передаваемых сигналов предопределили их ведущую роль в организации магистральных сетей связи. Известно, что ресурсы оптического волокна (ОВ) по частотной полосе и скорости передачи цифровых сигналов достигают, в зависимости от длины оптической несущей, нескольких десятков тера-герц [1]. Освоение этих возможностей позволит значительно увеличить пропускную способность волоконно-оптических линий связи (ВОЛС). Не-

обходимым условием для этого является переход на полностью оптические сети без промежуточных оптоэлектронных преобразований. Такие системы способны реализовать ресурсы оптических линий с помощью современных информационных и нанотехнологий.

Цели и задачи развития информационных технологий и способов производства элементной базы волоконно-оптических систем передачи (ВОСП) взаимосвязаны. Так, научные достижения в области технологий изготовления полупро-

водниковых лазеров, фотодетекторов, оптических волокон позволили построить высокоскоростные магистральные ВОСП протяженностью более 1000 км. Это привело, в свою очередь, к резкому росту потребителей сетей связи и необходимости дальнейшего повышения пропускной способности ВОСП с помощью информационных технологий SDH (синхронной передачи), ATM (асинхронной передачи), WDM (волнового уплотнения) и т. д.

Новое наращивание информационной емкости оптического волокна V, пропускной способности C и скорости передачи оптических сигналов v стало возможным благодаря прорыву в области нанотехнологий и наноэлектроники.

Представляет определенный интерес анализ предельных значений параметров V, C, v оптических линий связи и возможностей их повышения с помощью нанотехнологий.

Оценку проведем на примере двух основных информационных технологий передачи цифровых сигналов по оптическому волокну, а именно: временного TDM и волнового WDM уплотнений.

Согласно формуле Шеннона, информационная емкость непрерывного канала определяется следующим образом [1]:

V = T • F • D,

(1)

где Т - время передачи информации (период опроса, определяемый по теореме Котельникова); Е -широкополосность канала (величина, обратная длительности выборки сигнала в момент опроса); Б = ^2(1 + Рс /Рш) - динамический диапазон канала; (Рс /Рш) = р - соотношение мощностей сигнала (квадрата амплитуды выборки) и шума (чувствительности фотодетектора или мощности темнового тока) на входе приемника.

Применительно к оптическому каналу время Т можно принять равным периоду тактовой синхронизации (125 цс). Ширина Е зависит от амплитудно-частотной (волновой) характеристики (АВХ) оптического усилителя (ОУ) и выбранного «окна прозрачности» ОВ и может иметь порядок 1 ТГц [2]. Динамический диапазон Б - это количество бит информации, приходящееся на одну выборку сигнала. После квантования амплитудно-импульсного сигнала на 256 уровней и двухпозиционного кодирования, получим, например, восьмиразрядную комбинацию, в которой каждый оптический импульс будет нести следующее количество бит информации:

где n - число разрядов в кодовом слове.

Подробная детализация формулы Шеннона для ОВ с учетом критерия качества позволит сравнить технологии TDM и WDM по количеству передаваемой информации, скорости передачи сигналов и определить, какая из технологий наилучшим образом может увеличить:

число каналов и информационную емкость

ВОЛС;

длину усилительного участка (УУ), в конце которого восстанавливается мощность оптического импульса, и регенерационного участка (РУ), в конце которого восстанавливается мощность и длительность оптического цифрового сигнала; пропускную способность ВОСП. Кроме того, с помощью формулы Шеннона можно увидеть наиболее перспективные пути совершенствования ВОСП.

Для этого необходимо преобразовать выражение для информационной емкости V так, чтобы оно включало показатель качества связи р, длину регенерационного участка (РУ состоит из нескольких УУ), количество каналов K, которое в общем случае равно произведению числа временных (тайм-слотов) N и числа частотных (волновых) каналов K.

Величина N рассчитывается как отношение периода тактовой синхронизации Tmc на длительность временного канала тк = тэ • n, где тэ - длительность элементарного импульса. Число частотных каналов K вычисляется как отношение ширины «окна прозрачности» F на ширину одного частотного канала А/к = Ь/тэ, где коэффициент b определяет величину частотного разноса между оптическими каналами и зависит от используемой аппаратуры ВОСП.

Значение динамического диапазона для оптических линий связи лучше преобразовать в дБ и представить в виде уровней по мощности:

log2(^c /Рш) = lg 2(lg Pc - lg Рш) = = 0,301(a - a ) = 0,301 a,

7 4 c TTK 7 з7

(3)

(р >> 1) : D = (log2p)/n,

(2)

где ас , аш, аз - значения уровней оптического сигнала, шума фотоприемника и величина защищенности передачи.

На основании расчетов диаграммы уровней ВОСП можно записать следующие соотношения (рис. 1) [3]:

а - аЬ = а , (4)

вх с '

где а , а - входной и выходной уровни ВОСП;

а - километрический коэффициент затухания ОВ, зависящий от типа ОВ и величины оптической несущей; L - длина усилительного участка.

Входные уровни всех частотных каналов технологии WDM не должны в сумме превышать максимально допустимый уровень Авх для оптического волокна, который отделяет линейный и нелинейный режимы работы волокна. Величина входного уровня для каждого частотного канала находится из выражения [2]:

А = а + 10 lg K.

вх вх ® т

(5)

которое легко получить из соотношения (Ров /Р1) = K, означающего отношение суммарной пиковой мощности Ров на входе ОВ, разделенной между частотными каналами с мощностью Р1. Для технологии TDM K = 1, поэтому значение Авх в формуле (5) может быть равным авх.

Таким образом, информационную емкость оптической линии в общем виде можно выразить так:

V1 = V/0,301 = (ЗДЕт^ + 10 lg Kf), (6)

где суммирование происходит по всем каналам K и N.

Дальнейшая детализации формулы Шеннона для оптического волокна требует учета особенностей распространения света по ОВ. Они заключаются не только в затухании сигнала по энергии, но и в расширении импульса по длительности из-за хроматической дисперсии. Дисперсию можно оценить с помощью коэффициента W. Величина W = L/i [МГц • км] называется удельной полосой пропускания и зависит от типа ОВ, расположения «окна прозрачности» (значения оптической несущей), ширины спектра излучения лазерного диода ДХ [1].

Отсюда, выражение Шеннона для оптического волокна с одинаковыми для всех каналов значениями т и Д/ будет иметь вид:

V= K(b) N(W) n (авх + 10 lg Kf) =

э

= Kf N • b • n (авх + 10 lg Kf).

(7)

Как видно из этой формулы, общее число каналов по технологии WDM, равное K = Kf • N, ограничено широкополосностью F и временем T .

mc

Для технологии TDM (Kf = 1) весь частотный ресурс F может расходоваться на число вре-

менных каналов N, а следовательно, на скорость передачи информации и, которая для двоичного кодирования по величине не отличается от скорости передачи сигналов v.

Для технологии WDM увеличение количества частотных каналов Kf уменьшает число временных N и, наоборот, уменьшение длительности элементарного импульса тэ и соответствующее расширение полосы ДТк снижает значение Kf. Это свидетельствует о том, что общее число каналов ВОЛС, определяемое на основании соотношения Хартли K = Kf • N, одинаково для TDM и WDM.

Линейная зависимость между значениями K, Kf, N говорит о том, что не существует оптимальной длительности тэ, позволяющей обеспечить максимальное значение пропускной способности ОВ.

Таким образом, при наличии соответствующей элементной базы обе технологии могут предоставить одинаковое число каналов ВОЛС. Эти каналы можно организовать с помощью волнового уплотнения ОВ (разделив общую полосу между отдельными каналами). Затем передавать оптические сигналы одновременно в нескольких частотных каналах (WDM). Другой способ -с помощью временного уплотнения осуществлять передачу сигналов в строго отведенные временные промежутки, которые занимают всю полосу «окна прозрачности» ОВ (TDM).

Отсюда следует, что обе технологии, обладая одинаковым энергетическим запасом Ров, имеют одинаковую информационную емкость.

Проанализируем возможности технологий TDM и WDM по дальности связи.

Для технологии TDM величина А вх полностью расходуется на энергию оптического сигнала. Поэтому длина усилительного участка L зависит от энергии оптического импульса (произведения квадрата амплитуды на длительность импульса), километрического затухания ОВ а и уровня сигнала а = а + а . Согласно энергетическому

с ш з r J

балансу ВОЛС (рис. 1) максимально возможная дальность усилительного участка равна [3]:

А - а (8)

т _ вх_с V-V

Lyy = а .

Однако в это выражение входят уровни сигналов, не учитывающие уменьшения дальности связи при увеличении скорости передачи сигналов. Два импульса одинаковой амплитуды, но разной длительности, будут иметь разные энергии (рис. 2).

Рис. 1. Диаграмма уровней

Для простоты рассуждений в качестве примера выбраны импульсы прямоугольной формы. В линии связи, как известно, затухает энергия сигнала, величина которой и определяет длину УУ. Чем меньше энергия сигнала, тем быстрее он затухнет в линии связи, тем короче длина УУ. При одном и том же значении входного уровня авх, но разной длительности тэ, скорость затухания (потери энергии импульса) в оптической линии будет пропорциональна величине тэ (см. графики 1 и 2 на рис.1).

Допустим, график 1 соответствует эталонной скорости, например, STM-1 с уровнем защищенности аз, а график 2 - скорости STM-4. Системы ВОСП с такими параметрами и одинаковой величиной защищенности обеспечат дальность связи, равную соответственно L1 и L2 < Lr4TO6bi эти расстояния были равны, необходимо повысить входной уровень второй системы. В рассматриваемом случае анализируются потенциальные возможности технологий TDM и WDM. Поэтому в качестве входного уровня принимается максимально возможное значение для выбранного оптического волокна Авх, и входные уровни у разных систем не могут быть повышены. Такие же графики 1 и 2 получаются, если использовать разные оптические линии связи с различными коэффициентами километрического затухания ОВ а1 < а2. Выражение (8) справедливо для энергетических расчетов ВОЛС, организованных

с помощью разных оптических кабелей. Поэтому в формуле (8) требуются дополнительные уточнения для сравнения ВОСП с разными скоростями передачи информации. Это можно осуществить следующим образом: взять за основу расчетов в качестве эталонной системы, например, график 1; найти дополнительную величину Да так, как это показано на рис. 1; получить новое значение защищенности а = а + Да для системы с другой

з2 з1

скоростью передачи сигналов; согласно рассчитанной величине аз определить дальность УУ для новой системы L2 по графику 1.

Таким образом, уменьшение энергии элементарного импульса за счет сокращения его длительности учтем в (8) увеличением значения защищенности аз для сохранения качества связи.

На основании рис. 2 можно сделать вывод, что величина Да зависит от отношения энергий исходных импульсов и при одинаковой их амплитуде (входном уровне Авх) определяется отношением длительностей элементарных импульсов. Введем в числитель формулы (8) дополнительное слагаемое, равное Да = 10 lg В/тэ. Это дополнение учитывает необходимые изменения величины защищенности эталонной системы в зависимости от скорости передачи информации ВОСП, для которой рассчитывается L. Тогда, величина максимальной дальности по энергетическому балансу (бюджету) L для технологии TDM определится как

L = [А - (а + 10 lg B/т )],

эн L вх 4 с ° э'J 7

(9)

где B - коэффициент, равный длительности импульса эталонной ВОСП; ac = (аш + а ) - значение уровня входного сигнала эталонной ВОСП; тэ - длительность элементарного импульса ВОСП, причем тэ < B.

Следовательно, возможности ОВ по дальности для технологии TDM ограничены величиной А вх, скоростью передачи информации и выбранным значением качества а .

з

Длина регенерационного участка ВОСП выбирается с учетом временного баланса. Так, влия-

<-

^г^ 40 41

Рис. 2. Затухание оптических импульсов разной длительности

ние хроматическом дисперсии допускает следующее значение длины регенерационного участка, которое рассчитывается как отношение коэффициента Ж на конечную скорость V [1]:

L = T • W/N • n • от1,

вр mc 7

(10)

где коэффициент m1 учитывает возможное повышение скорости передачи за счет линейного кода.

В этом случае дальность связи ограничивается скоростью передачи v (количеством временных каналов N), параметром оптического волокна W, широкополосностью лазерного излучения ДХ. В зависимости от скорости передачи сигналов, линейного кода и параметров ОВ (а, W ) расстояние L может быть больше или меньше расстояния

вр

L . Обычно длина усилительного участка меньше длины регенерационного участка.

Если приравнять значения L^ и L по формулам (9) и (10) друг другу, то получим выражение, с помощью которого можно подбирать параметры ВОСП (а, W, v, m1, ДХ, K), обеспечивающие максимально возможную дальность связи волоконно-оптических линий при использовании всех доступных ресурсов (по широкополосности F и входному уровню Авх) оптического волокна.

Для технологии WDM уменьшение длительности тэ влечет за собой расширение спектров сигнала и снижение числа частотных каналов Kf , а также перераспределение допустимого входного уровня А вх между волновыми каналами в сторону увеличения входных уровней авх согласно формуле (5). При этом энергия оптического импульса может остаться неизменной за счет одновременного уменьшения тэ и возможного увеличения амплитуды импульса.

Так, длина усилительного участка по энергетическому балансу Lэн для технологии WDM c учетом выражений (5) и (9) равна:

LэH = [Авх - 10 lg K - (ac + 10 lg B/Тэ ) ]/а. (11)

Из этого выражения видно, что уменьшении тэ поднимает уровень защищенности за счет слагаемого 10 lg В/тэ, что уменьшает дальность. Происходящее при этом сокращение числа волновых каналов Kf и повышение каждого канала увеличивает дальность связи за счет уменьшения величины 10 lg K в формуле (11). Если в итоге получится, что величина Kf сравняется с величиной

В/тэ, то значения 10 lg Kf и 10 lg В/тэ уравновесят друг друга, а дальность связи не изменится. Этот вывод справедлив при условии полного использования технологией WDM ресурсов ОВ по полосе F и входному уровню Авх.

Если учесть влияние хроматической дисперсии на уширение длительности импульса, то можно рассчитать дальность связи для технологии WDM (длину регенерационного участка) по временному балансу. Так, при делении полосы F на отдельные частотные каналы можно записать:

или

Kf = F • т /Ь

f ов э 1

K. = F • L/Ь •W.

ов

(12)

Отсюда, длина регенерационного участка равна: L = K • W • Ь/F . (13)

вр ов

Приравняв выражения дальности связи по энергетическому (12) и временному (13) балансам для технологии WDM, по аналогии с TDM можно получить параметры ВОСП, обеспечивающие максимально возможную дальность связи при условии использования ресурсов ОВ по ши-рокополосности и входному уровню.

Сравнение дальности связи ВОСП, организованных с помощью технологий WDM и TDM, позволяет получить интересную закономерность. Так, при одной и той же защищенности передачи а и скорости передачи сигналов величина L для технологии WDM (11) меньше, чем для TDM (9) в KL раз:

Kl = (Авх - ас) / (Авх - ас - 10 lg K ) =

= lg (Ров / Р) / lg (Ров / Р • K ) =

= Ч(Р0в / Р • Kf ) (Ров / Р).

(14)

Следовательно, увеличение количества частотных каналов в системе передачи с WDM уменьшает Lэн не пропорционально числу Kf, а согласно логарифмической зависимости (14), которая снижает длину УУ с повышением Kf медленнее, чем в случае линейной зависимости.

Несмотря на то, что технология WDM имеет определенные ограничения по дальности связи по сравнению с TDM, технология волнового уплотнения является наиболее перспективной для полностью оптических сетей связи.

Интересно сравнить технологии TDM и WDM по пропускной способности.

Разделив формулу (1) для расчета информационной емкости ОВ на время тактовой синхронизации, получим в общем виде выражение для пропускной способности С оптического волокна. Так, C = F^ log2p/n или C = (Kf • Ь/тэ ) • (log2p)/n.

Существующая тенденция к сокращению частотного разноса между оптическими несущими в технологии WDM, которая уже близка к ширине спектра оптического сигнала (1/ тэ) [2], позволяет записать:

C ~ K • v (log2p)/n .

(15)

Несмотря на то, что для TDM Kf = 1, технология временного уплотнения не уступает по пропускной способности, т. к. может компенсировать отсутствие частотного уплотнения повышением скорости передачи сигналов.

Ограничением для увеличения пропускной способности и скорости передачи информации для обеих технологий являются технические возможности использования всего диапазона частот ОВ.

Поэтому главное направление исследований в области ВОСП - расширение частотных границ оптического волокна F , а также повыше-

ов

ние допустимых значений Ров (или уменьшение интенсивности излучения на единицу площади сечения сердцевины ОВ, например, за счет увеличения этого сечения). Этого можно добиться путем совершенствования конструкций и технологий изготовления ОВ. Примером нового типа ОВ с расширенными возможностями является фотонно-кристаллическое волокно (ФКВ).

Кроме оптических волноводов, следует улучшать АВХ оптических усилителей и снижать шумы, вносимые ОУ. Здесь также главную роль играют технологии производства оптических устройств (чистота исходных материалов, точность изготовления геометрических размеров оптоэлектронных устройств).

Чтобы оценить влияние технологий производства элементной базы ВОСП, введем в формулу пропускной способности соответствующие коэффициенты. Допустим, что на базе современных нанотехнологий и новых принципов работы электронных и оптоэлектронных устройств (транзисторов, лазеров, фотодетекторов), а также возможностей ОВ можно расширить параметр F в в1 раз, снизить порог чувствительности фотопри-

емника Рш и увеличить соответственно параметр

р в Р2 раз.

Для сравнения влияния нанотехнологий и информационных технологий на пропускную способность ОВ допустим, что совершенствование способов сжатия сигнала уменьшит число разрядов в кодовом слове в у1 раз, совершенствование способов приема повысит параметр р в у2 раз.

Переписав формулу для пропускной способности (15) с учетом введенных коэффициентов, получим выражение, позволяющее оценить степень влияния информационных и нанотехноло-гий на величину С:

С = Fw • Р1 (Y1 / n) • log2(p • Р2 • Y2). (16)

Отсюда видно, что коэффициенты в1 и у1 непосредственно влияют на значение C, а коэффициенты Р2 и у2 - через функцию логарифма, которая растет медленнее, чем линейная зависимость. Это свидетельствует о том, что на пропускную способность в большей степени влияют коэффициенты в у1. Поэтому наиболее перспективными направлениями научных поисков является расширение диапазона F и информационное сжатие сигналов.

С другой стороны, информационное сжатие сигналов может повысить величину C только в несколько раз, в отличие от нанотехнологий, которые могут увеличить значение C в десятки раз [4].

Таким образом, соотношение между коэффициентами в1 >> у1 в формуле (16) позволяет сделать вывод об исключительном значении на-нотехнологий для повышения пропускной способности ВОЛС.

Сравнительный анализ оптических технологий TDM и WDM показал, что каждая из них способна при наличии элементной базы целиком освоить ресурсы ОВ. Однако применительно к полностью оптическим сетям более перспективной является технология волнового уплотнения ВОЛС. Эта технология позволит значительно повысить гибкость оптических сетей за счет различных вариантов логических топологий, реализованных в одном оптическом волокне с использованием разных оптических несущих и алгоритмов волновой маршрутизации [1].

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Убайдуллаев, Р.Р. Волоконно-оптические сети [Текст] / Р.Р. Убайдуллаев. -М.: Эко-Трендз. -1998. -267 с.

2. Скляров, О.К. Волоконно-оптические сети и системы связи [Текст]/О.К. Скляров. -М.: Солон-Пресс, 2004. -261 с.

3. Стерлинг, Дональд Дж. Волоконная оптика [Текст]/Дональд Дж. Стерлинг. -М.: Лори, 1998. -288 с.

4. Мартинес-Дуарт, Дж. М. Нанотехнологии для микро- и оптоэлектроники [Текст]/ Дж.М. Мартинес-Дуарт, Р.Дж. Мартин-Палма [и др.]. -М.: Техносфера, 2007. -368 с.