CC BY
165
ТЕХНОЛОГИИ ДОСТИЖЕНИЯ ВЫСОКИХ СКОРОСТЕЙ ПЕРЕДАЧИ В СОВРЕМЕННЫХ КОГЕРЕНТНЫХ DWDM-СИСТЕМАХ СВЯЗИ
Портнов Эдуард Львович,
д.т.н., профессор, профессор кафедры направляющих телекоммуникационных сред, МТУСИ, Москва, Россия, mtuci@mtuci.ru
Фатхулин Тимур Джалилевич,
аспирант кафедры направляющих телекоммуникационных сред, МТУСИ, Москва, Россия, mtuci@mtuci.ru
Ключевые слова: оптические сети, пропускная способность, суммарная скорость, поляризация, дисперсия, оптическое излучение, уровень сигнала.
Предметом исследования являются технологии достижения высоких скоростей в когерентных DWDM-системах. Цель статьи - проанализировать эффективность существующих технологических решений по увеличению скоростей передачи, рассмотреть принципы действия когерентных гетеродинных и гомодинных приемников сигнала в формате модуляции DP-QPSK (Dual Polarization Quadrature Phase Shift Keying). а также проследить зависимость ширины спектра оптического излучения на выходе ОУ от мощности выходного сигнала ОУ. Методологическую основу статьи составляют методы теоретического анализа, сравнительный и описательный методы, а также метод обобщения.
Pассмотрены предпосылки к созданию систем со спектральным уплотнением каналов, развитие систем WDM от интенсивного и экстенсивного путей к гибридной модели, а также к совмещению в одной системе передачи как каналов со скоростью передачи 10 Гбит/с с форматом модуляции NRZ, так и каналов со скоростью передачи 40 Гбит/с с форматом модуляции NRZ-ADPSK для модернизации 80 канальных систем. Проанализированы причины перехода от бинарных форматов модуляции (NRZ, RZ, NRZ-ADPSK и других) к многоуровневым форматам модуляции и использованию когерентных систем связи. Показаны принципы работы когерентных гетеродинных и гомодин-ных приемников, обеспечивающих скорость передачи информации в одном канале 100 Гбит/с. Проведено сравнение различных форматов модуляции, используемых в современных системах связи, между собой по спектральной эффективности. Выявлены ограничения на максимально допустимую выходную мощность сигнала оптических усилителей, не дающих привести к недопустимому уширению спектра излучения в одном оптическом канале передачи. В заключении сделаны выводы по проведенному сравнительному анализу существующих технологий достижения высоких скоростей передачи информации в современных когерентных системах связи со спектральным разделением каналов. В результате по ряду существенных параметров формат DP-QPSK со скоростью передачи информации 100 Гбит/с на один канал представляется наиболее перспективным форматом для современных DWDM-систем дальней связи с суммарной скоростью 10-20 Тбит/с.
Для цитирования:
Портнов Э.Л., Фатхулин Т.Д. Технологии достижения высоких скоростей передачи в современных когерентных DWDM-системах связи // T-Comm: Телекоммуникации и транспорт. - 2015. - Том 9. - №8. - С. 34-37.
For citation:
Portnov E.L., Fatkhulin T.D. Technologies aimed at achieving high speed transmission in modern coherent DWDM communication systems. T-Comm. 2015. Vol 9. No.8, рр. 34-37. (in Russian).
T-Comm Том 9. #8-2015
Стремительное развитие интернета и постоянно растущий спрос на мультимедийные приложения, для которых необходимы высокоскоростные линии связи, требуют повышения пропускной способности оптических сетей. В результате нового потребительского запроса возникла необходимость применения спектрального уплотнения каналов в волоконно-оптических линиях связи [1],
WDM (Wavelength Division Multiplexing) системы, целью которых является увеличение пропускной способности систем передачи, развивались сначала по интенсивному пути. При этом уменьшался шаг между оптическими несущими, но это вело к удорожанию таких DWDM (Dense WDM) систем, что тормозило их внедрение. В результате появления оптических волокон, у которых рабочая полоса пропускания расширилась от 30 нм до 340 нм, появилась возможность использовать более дешевые системы с большим шагом (20 нм) сетки частот CWDM (Coarse WDM), то есть перейти на экстенсивный путь. Однако, со временем появилась необходимость в увеличении суммарной скорости передачи, что привело к необходимости заменять некоторые каналы CWDM-систем на несколько несущих DWDM . Такие системы получили название гибридных WDM-систем. При этом в зависимости от стратегии расширения числа несущих и несимметричного расположения каналов их суммарное число могло быть либо 32, либо 68. Это позволяло значительно увеличить суммарную скорость передачи, так как изначально в CWDM-системах предполагалось 8*16 каналов [2, с.27-28].
Увеличение суммарной скорости передачи информации в современных системах связи с технологией WDM достигается повышением скорости передачи информации s одном канале, эффективным использованием рабочих спектральных областей (3, 4 и 5 окон прозрачности). В волоконно-оптических системах передачи, где канальная скорость не превышает 10 Гбит/с, как правило, используются форматы модуляции NRZ, RZ, а также их модификации.
При достижении скорости передачи в 40 Гбит/с наиболее эффективным с технологической и экономической сторон является адаптивный дифференциальный фазовый формат модуляции - ADPSK. В некоторых системах возможна работа спектральных каналов на различных скоростях и с различными форматами модуляции, например 10 Гбит/с NRZ и 40 Гбит/с NRZ-ADPSK. При этом используется сетка частот с разнесением в 50 ГГц. Такие решения позволяют модернизировать действующие DWDM системы, в которых применялись 80 каналов со скоростью по 10 Гбит/с.
Стоит отметить, что бинарные фазовые форматы не могут быть использованы в системах со скоростями в 100 Гбит/с. Это обусловлено физическими ограничениями, не дающими превысить скорость цифровой обработки и передачи символов более 50 Гбод. Следовательно, возникает необходимость использования многоуровневых форматов модуляции, позволяющих уменьшить скорость передачи символов. Оптимальными
для реализации использования многоуровневых форматов модуляции являются когерентные системы связи. Они позволяют увеличивать скорость передачи информации в разы, что определяется форматом модуляции. Например, формат ОР-рРЭК (двуполяризационная четырехуровневая фазовая модуляция) с емкостью 4 бит/ символ дает спектральную эффективность 2 (бит/с)/Гц с сеткой частот 50 ГГц [4, с. 114]. Работа когерентного приемника (рис. 1) состоит в том, что оптический сигнал смешивается с опорным излучением (ОИ) и детектируется балансным фотоприемником, содержащим два фотодиода (ФД1,2) и схему вычитания.
Смеситель
Оптический сишал
<gb
ФД1
-т
Сита л на промежуточной частоте
ФД2
-и
ОИ САП
Рис. 1. Работа когерентного приемника; ОИ - опорное
излучение; ФД - фотодиод; САП - схема автоподстройки
С целью синхронизации ОИ используется схема автоподстройки (САП). Гетеродинный фотоприемник формирует электрический сигнал, содержащий компоненту на промежуточной (разностной) частоте, которая несет в себе всю информацию, закодированную в переданном сигнале. При совпадении частот ОИ и несущей волны оптического сигнала когерентная система является гомодинной. Стоит отметить, что при использовании гетеродинного когерентного приемника промежуточная частота намного больше частоты передачи сигнала, что ведет к затруднениям при использовании таких приемников на скоростях 100 Гбит/с и выше. Однако, гомодинные приемники требуют высокой точности синхронизации частот ОИ и несущей частоты сигнала, Именно поэтому лишь недавно в результате создания приемников с высокоскоростной цифровой обработкой сигналов стало возможным внедрение таких систем, так как в электрической форме стало возможным устранение фазового дрейфа.
Гомодинный когерентный оптический приемник преобразует амплитуду и фазу оптического сигнала в электрическую форму. Появление цифровой обработки сигналов снимает жесткие требования к взаимной синхронизации ОИ и несущей оптического сигнала. Цифровая обработка сигналов выполняет функции синхронизации и декодирования цифровой информации. Входной оптический сигнал и ОИ разделяются на две поляризационные компоненты при помощи поляризационных делителей (PBS). Две поляризационные компоненты информационного сигнала смешиваются с двумя поляризационными компонентами непрерывного излучения опорного лазера (LO) с использованием 90-
COMMUNICATIONS
современных DWDM-систем дальней связи с суммарной скоростью 10-20 Тбит/с .[б, с. 851]. Также рассматриваемая технология открывает новые перспективы для увеличения скоростей передачи в будущем.
Литература
1. Портнов Э.Л. Оптические кабели связи, их монтаж и измерение. Учебное пособие для вузов. - М: Горячая линия-Телеком, 2012. -448 с.
2. Слепов Н, Технология разреженных систем WDM (CWDM). Особенности и применение // Технологии и средства связи. - 2007, - N91. - С. 27-29,
3. Трещиков В.Н, Гуркин Н.В., Наний О.Е. Оптические когерентные DWDM системы связи с канальной скоростью 100Гбит/с // Фотон-экспресс, 2014, № 4 (116). - С.24-27.
4. Фатхулин Т.Д. Анализ современных когерентных DWDM-систем связи. Национальная ассоциация ученых. -Екатеринбург: изд-во ИДУ, 2015. - № 1 (б). - С. 113-116.
5. Skoda, Р & Radii, J 2013, 'Analyses of 100 Gbps coherent system performances', Radioengineering, Prague, vol. 22, no 2, pp. 632-637.
6. Winzer, Я Energy-efficient optical transport capacity scaling through spatial multiplexing // Photon. Technol. Lett., 2011, vol. 23, pp. 851-853.
TECHNOLOGIES AIMED AT ACHIEVING HIGH SPEED TRANSMISSION IN MODERN COHERENT DWDM COMMUNICATION SYSTEMS
Portnov Edward, Professor, Ph.D., Moscow Technical University of Communications and Informatics, Department of Telecommunication Media, Moscow, Russia, mtuci@mtuci.ru Fatkhulin Timur, post-graduate student, Moscow Technical University of Communications and Informatics, Department of Telecommunication Media, Moscow, Russia, timurfatkhulin@yandex.ru
Abstract
The subject of the study represents modern technologies aimed at achieving high speed rates in coherent DWDM-systems. The purpose of the article is to analyze efficiency of existing technological solutions of increasing data rates, to consider the principles of coherent heterodyne and homodyne signal receivers in modulation format DP-QPSK (Dual Polarization Quadrature Phase Shift Keying) and to trace the dependence of the width of the optical spectrum at the output of the optical amplifier on the output signal power of the optical amplifier. The methodological basis of the article is constituted by methods of theoretical analysis, comparative and descriptive methods, and the method of generalization. The article examines the backgrounds for the creation of systems with wavelength division multiplexing, the development of WDM systems from intensive and extensive ways up to the creation of a hybrid model, and also to a combination in one transmission system of channels with a transmission rate of 10 Gbit/s in modulation format NRZ as well as channels with a transmission rate of 40 Gbit /s in modulation format NRZ-ADPSK for upgrading channel 80 systems. The reasons of the transition from binary modulation formats (NRZ, RZ, NRZ-ADPSK and others) to the multi-level modulation format and the use of coherent communication systems are analyzed in the article. The principles of work of coherent heterodyne and homodyne receivers, providing 100 Gbit /s data transfer rate in one channel are demonstrated. A comparison of spectral efficiency of different modulation formats used in modern communications systems is conducted. The limits on the maximum output power of optical amplifiers, avoiding unacceptable broadening of the emission spectrum of a single optical transmission channel are defined. Finally, the conclusions are given, they summarize the comparative analysis of existing technologies aimed at achieving high data rates in modern coherent communication systems with wavelength division multiplexing. As a result, a number of important parameters of DP-QPSK format with a bit rate of 100 Gbit / s per channel make it the most promising format for the modern DWDM-distance communication systems with a total of 10-20 Tb / s.
Keywords: optical networks, transmission capacity, the total speed rate, polarization, dispersion, optical radiation, signal level.
References
1. Portnov, E 2012, Optic cables, their installation and measurement. A manual for higher educational establishments. Moscow: Hotline Telecom, 448 p. (in Russian)
2. Slepov, N 2007, Technology sparse WDM (DWDM). Peculiar characteristics and application. Technology and Communication. Moscow, n.1, pp. 27-29. (in Russian)
3. Treschikov, V, Gurkin, N & Nanii, O 2014, DWDM optical coherent communication system with data rates of 100Gbit / s. Photon Express, Moscow, vol. 4, n.116, pp.24-27. (in Russian)
4. Fatkhullin, T 2015, Analysis of modern DWDM-coherent communication systems. National Association of Scientists, Ekaterinburg: Izd NAU, vol.1, n.6, pp. 113-116. (in Russian)
5. Skoda, P & Radil, J 2013, Analyses of 100 Gbps coherent system performances, Radioengineering, Prague, vol. 22, no 2, pp. 632-637.
6. Winzer, P 2011, Energy-efficient optical transport capacity scaling through spatial multiplexing. Moscow: Photon. Technol. Lett., vol. 23, pp. 851-853.
T-Comm Vol.9. #8-2015
