/
Author: Perlicki Krzysztof
Tags: elektronika optyka telekomunikacja
ISBN: 978-83-206-1646-0
Year: 2007
Text
Systemy transmisji optycznej
Krzyszt Perlicki
.
Książkę poświęcono najważniejszym zagadnieniom związanym
z systemami transmisji optycznej ze zwielokrotnieniem falowym
(WOM), ktore według techniczno-ekonomicznych analiz rynk
telekomunikacyjnego będą warunkowały rozwój systemów
telekomunikacji optycznej w najbliższej przyszłości.
Zakres tematyczny podręcznika obejmuje najnowsze
i najpopularniejsze rozwiązania stosowane w systemach
telekomunikacji optycznej ze zwielokrotnieniem falowym oraz
podstawy projektowania, utrzymania i zarządzania systemami WDM.
Ze względu na dynamiczny rozwój tej dziedziny wiedzy
zaprezentowano rozwiązania, które osiągnę dojrzałość techni ą
i znalazły uznanie w środowisku producentów sy temów
telekomunikacyjnych oraz u operatorów.
W książce opisano:
-
. budowę i zasadę działania elem. ntów składowych systemu WOM,
. zja iska fizyczne wpływające na jakość ich pracy,
. metody projektowania systemów transmisji optyczn.',
. organizację systemów WOM,
stosowanie techniki zwielokrotnienia falowego w sieciach
dostępowych, miejskich oraz dalekiego zasięgu,
. nactużycla w systemach optycznych,
. rT,lonitorowanie jakości pracy systemó WOM
.
ISBN 978-ł<3 -206-1646-0
Wydawniet a
Komunik. ej i i Łąeznosei
.wkl. . m.pl
I
9 788320 616460
Krzysztof Perlicki
Systemy transmisji optycznej
Wydawnictwa Komunikacji i Łączności
Warszawa
Opiniodawcy: pro! dr hab. inż. KrzysztoJ M. Abramski
dr hab. inż. Marian Marciniak
Okładkę projektował: Dariusz Litwiniec
Redaktor merytoryczny: mgr inż. Elżbieta Gawin
Redaktor techniczny: Alicja Pietrzak
Korekta: zespół
62] .39:621.3.082.5
Celem książki jest przybliżenie Czytelnikowi najistotniejszych spraw związanych z systemami transmisji
optycznej ze zwielokrotnieniem falowym (WDM). Zakres tematyczny książki obejnluje kwestie
dotyczące: projektowania, utrzymania i zarządzania tego typu systemów telekomunikacyjnych.
Książka jest przeznaczona dla studentów kierunków elektroniki, telekomunikacji i pokrewnych,
słuchaczy studiów podyplomowych oraz dla osób mających, z racji wykonywanego zawodu, bezpośredni
kontakt z nowoczesnymi systemami telekomunikacyjnymi.
Podręcznik akademicki dotowany przez Ministra Nauki i Szkolnictwa Wyższego
ISBN 978-83-206-1646-0
@ Copyright by Wydawnictwa Komunikacji i Łączności sp. z 0.0.
Warszawa 2007
Utwór ani w całości, ani we fragmentach nie może być skanowany, kserowany, powielany bądź
rozpowszechniany za pomocą urządzeń elektronicznych, mechanicznych, kopiujących, nagrywających
i innych bez pisemnej zgody posiadacza praw autorskich.
Wydawnictwa Komunikacji i Łączności sp. z 0.0.
ul. Kazimierzowska 52, 02-546 Warszawa
tel. 022-849-27-5]; fax 022-849-23-22
Dział Handlowy tel./fax 022-849-23-45
tel. 022-849-27-51 w. 555
Prowadzimy sprzedaż wysyłkową książek
Księgarnia firmowa w siedzibie wydawnictwa
tel. 022-849-20-32, czynna pon.-pL w godz. 10.00-18.00
e-mail: wkl@wkl.com.pl
Pełna oJerta WKŁ w INTERNECIE http://www.wkl.com.pl
Wydanie 1. Warszawa 2007.
Skład i łamanie: Fotoskład "GRAFINI"
05-840 Brwinów, ul. Wspólna 3/22
Druk i oprawa: Drukarnia Narodowa S.A.
Kraków. ul. Marszałka Józefa Piłsudskiego 19
Spis treści
Wstęp 7
Rozdział I
Wprowadzenie 9
Literatura 14
Rozdział II
Wybrane elementy składowe systemów WDM 15
"
2.1. Zródła światła 15
2.2. Wzmacniacze optyczne 20
2.2.1. Wzmacniacze światłowodowe domieszkowane pierwiastkami ziem rzadkich 21
2.2.2. Wzmacniacze Ramana 25
2.2.3. Wzmacniacze półprzewodnikowe 28
2.3. Konwertery długości fali 30
2.3.1. Konwertery optoelektroniczne 30
2.3.2. Konwertery czysto optyczne 31
2.4. Regeneratory 3R 33
2.5. Krotnice falowe 36
2.6. Optyczne krotnice transferowe 41
2.7. Przełącznice optyczne 43
2.8. Kompensatory dyspersji chromatycznej 46
2.9. Kompensatory dyspersji polaryzacyjnej 51
"
2.10. Swiatłowody telekomunikacyjne 55
Literatura 57
Rozdział III
Zjawiska ograniczające pracę systemów WDM 60
3.1. Przesłuch międzykanałowy 60
3.1.1. Bilans mocy optycznej systemu WDM 60
3.1.2. Wyznaczanie przesłuchu między kanałami systemu WDM 62
3.1.3. Wpływ szumu śrutowego na zmianę bilansu mocy systemu 66
3.1.4. Wpływ przesłuchu na poziom elementowej stopy błędu 67
3.1.5. Wpływ przesłuchu międzykanałowego na synchronizację sieci telekomunikacyjnej SDH 71
3.2. Przesłuch kanałowy 71
3.3. Wpływ odbić od punktowych wtrąceń w łączu światłowodowym 72
3.4. Zjawisko zdudniania nośnych optycznych 75
3.5. Zjawiska nieliniowe w systemach WDM 78
3.6. Ograniczone pasmo optyczne 92
3.7. Dyspersja chromatyczna i polaryzacyjna 93
3.7.1. Dyspersja chromatyczna 94
3.7.2. Dyspersja polaryzacyjna 99
3.8. Szumy wzmacniacza optycznego 101
Literatura 103
Rozdział IV
Wybrane zagadnienia dotyczące projektowania systemów WDM 105
4.1. Kryteria oceny jakości pracy systemów optotelekomunikacyjnych 105
4.2. Bilans mocy optycznej 109
6
Spis treści
4.3.
4.4.
4.5.
4.6.
4.7.
Dyspersja chromatyczna
Dyspersja polaryzacyjna
Rozmieszczenie kanałów
Zjawiska nieliniowe
Modelowanie numeryczne
Li teratura
114
122
124
128
130
134
Rozdział V
Organizacja systemów WDM
5. ] . B udowa optycznej sieci transportowej
5.2. Jednostki przesyłania danych
5.3. Nagłówki
5.4. Tworzenie modułu transportu optycznego
5.5. Odwzorowanie sygnałów zewnętrznych
5.6. Interfejs IrDI i IaDI
5.7. Zarządzanie
Literatura
136
136
139
]42
]48
]49
151
]52
]58
Rozdział VI
Technika WDM w systemach telekomunikacyjnych
6.1. Technika WDM w sieciach dostępowych
6.2. Technika WDM w sieciach miejskich
6.3. Technika WDM w sieciach dalekiego zasięgu
6.4. Transmisja IP po WDM
Literatura
]59
]61
170
177
]86
198
Rozdział VII
Nadużycia w systemach WDM
7.1. Rodzaje nadużyć
7.2. Nieautoryzowany dostęp
7.3. Podszywanie się
7.4. Zagłuszanie
7.4. l. Zagłuszanie w paśmie
7.4.2. Zagłuszanie poza pasmem
7.5. Miejsca narażone na ataki
7.6. Wykrywanie i eliminacja nadużyć
Literatura
200
200
200
205
205
205
206
210
213
214
Rozdział VIII
Normalizacja systemów WDM
8.]. Normalizacja ETSI
8.2. Normalizacja lEC
8.3. Normalizacja ITU
8.4. Dokumenty Telcordii
2]6
216
217
217
228
Rozdział IX
Badanie jakości pracy systemów WDM
9.1. Metody monitorowania
9.2. Przyrządy pomiarowe
9.3. Przykład projektowania systemu monitorowania
Literatura
233
233
248
249
253
Ważniejsze skróty
255
Wstęp
Celem książki jest przedstawienie naj istotniej szych, zdaniem autora, spraw
związanych z systemami transmisji optycznej ze zwielokrotnieniem falowym WDM.
Zakres tematyczny książki tak dobrano, aby Czytelnik mógł się zapoznać
z najnowszymi i najpopulamiejszymi rozwiązaniami stosowanymi w systemach
telekomunikacji optycznej ze zwielokrotnieniem falowym oraz z koncepcjami
dotyczącymi ich: projektowania, utrzymania i zarządzania.
Ze względu na szybkie starzenie się rozwiązań technicznych starano się przedstawić
spośród nich te, które osiągnęły już dojrzałość techniczną i znalazły uznanie
w środowisku producentów systemów optotelekomunikacyjnych i operatorów.
W rozdziale 1 pt.: Wprowadzenie przedstawiono krótki zarys historyczny systemów
ze zwielokrotnieniem falowym, ich rodzaje oraz porównano je z innymi technikami
zwielokrotnienia.
W rozdziale 2 pt.: Wybrane elementy składowe systemów WDM omówiono budowę
i zasadę działania elementów składowych systemów WDM. Do podstawowych
elementów systemu zaliczono: źródła światła, wzmacniacze optyczne, konwertery
długości fali, regeneratory 3R, krotnice falowe, optyczne krotnice transferowe,
przełącznice optyczne, kompensatory dyspersji chromatycznej i polaryzacyjnej
oraz światłowody telekomunikacyjne.
W rozdziale 3 pt.: Zjawiska ograniczające pracę systemów WDM opisano zjawiska
fizyczne wpływające na jakość pracy systemów WDM. Skoncentrowano się na
następujących zjawiskach fizycznych: przesłuch kanałowy i międzykanałowy,
odbicia od punktowych wtrąceń w łączu światłowodowym, zdudnianie nośnych
optycznych, mieszanie czterofalowe, skrośna modulacja fazy, wymuszone roz-
praszania nieelastyczne, niestabilność modulacji, dyspersja chromatyczna i polary-
.
zacYJna oraz szumy.
W rozdziale 4 pt.: Wybrane zagadnienia dotyczące projektowania systemów WDM
przedstawiono: kryteria oceny jakości pracy systemów WDM, analizę ich bilansu
mocy, metody pozwalające na określenie wpływu na jakość ich pracy dyspersji
8
Wstęp
chromatycznej i polaryzacyjnej oraz zjawisk nieliniowych. Omówiono sposoby
optymalnego rozmieszania kanałów. Opisano również modelowania numeryczne
transmisji sygnału optycznego w światłowodzie.
W rozdziale 5 pt.: Organizacja systemów WDM omówiono: organizację optycznej
sieci transportowej, budowę jednostek przesyłania danych, tworzenie modułów
transportowych, odwzorowanie sygnałów zewnętrznych, interfejsy typu IrDI i JaDł
oraz sprawy dotyczące zarządzania systemami WDM.
W rozdziale 6 pt.: Technika WDM w systemach telekomunikacyjnych przedstawiono
zastosowanie techniki zwielokrotnienia falowego w sieciach: dostępowych, miejs-
kich oraz dalekiego zasięgu. W tym rozdziale zawarto również wybrane zagadnienia
dotyczące transmisji IP po WDM.
W rozdziale 7 pt.: Nadużycia w systemach WDM opisano sposoby realizacji
i detekcji: nieautoryzowanego dostępu do zasobów sieci optycznych, podszywania
się i zagłuszania.
W rozdziale 8 pt.: Normalizacja systemów WDM przedstawiono najważniejsze
dokumenty normalizujące systemy WDM.
W rozdziale 9 pt.: Badanie jakości pracy systemów WDM omówiono metody
monitorowania podstawowych parametrów. systemu WDM ze szczególnym uwzglę-
dnieniem pomiaru optycznego stosunku sygnału do szumu. Przedstawiono także
przykład projektowania systemu monitorowania.
Ze względu na olbrzymią liczbę publikacji dotyczących różnych aspektów
związanych z telekomunikacją optyczną, każdy z przedstawionych rozdziałów
mógłby osiągnąć rozmiary przekraczające całą książkę. Dlatego też zawartość
książki należy traktować jako mniej lub bardziej subiektywny pogląd autora na
poruszane zagadnienia. Ze swej strony autor starał się jednak dołożyć wszelkich
starań by prezentowany wybór materiałów był jak najbardziej reprezentatywny dla
poruszanej tematyki.
Książka jest przeznaczona dla studentów kierunków elektroniki, telekomunikacji
i pokrewnych, słuchaczy studiów podyplomowych oraz dla osób mających, z racji
wykonywanego zawodu, bezpośredni kontakt z nowoczesnymi systemami teleko-
munikacyjnymi.
Rozdział
Wprowadzenie
Systemy ze zwielokrotnieniem falowym lub inaczej mówiąc z podziałem długości
fali (ang. Wavelength Division Multiplexing) są systemami transmisji optycznej,
w których zwielokrotniana jest długość (częstotliwość) fali nośnej. W tego typu
systemach transmisji optycznej w jednym włóknie światłowodowym transmitowa-
nych jest wiele nośnych optycznych o różnych długościach fali. Biorąc pod uwagę
gęstość zwielokrotnienia, tj. odległość między kanałami optycznymi systemy ze
zwielokrotnieniem falowym można podzielić na: NWDM, CWDM, DWDM,
OFDM, DOFDM
l. Systemy NWDM (ang. Narrow WDM) to wąskopasmowe systemy WDM
z odległością między kanałami wynoszącą od 100 nm (13 THz) do 1 nm (130 GHz).
2. Systemy CWDM (ang. Coarse WDM) to tzw. grube systemy WDM z odległością
między kanałami na poziomie kilkunastu lub kilkudziesięciu nm.
3. Systemy DWDM (ang. Dense WDM) to tzw. gęste systemy WDM z odległością
między kanałami wynoszącą od 1 nm (130 GHz) do 0,1 nm (13 GHz).
4. Systemy OFDM (ang. Optical Frequency Division Multiplexing) to systemy ze
zwielokrotnieniem w dziedzinie częstotliwości optycznych z odległością między
kanałami wynoszącą od 0,1 nm (13 GHz) do 0,01 nm (1,3 GHz).
5. Systemy DOFDM (ang. Dense OFDM) to gęste systemy OFDM z odległością
między kanałami mniejszą od 0,01 nm (1,3 GHz).
Często systemy z odległością między kanałami mniejszą niż 0,1 nm oznaczane są
skrótem UDWDM (ang. Ultra DWDM) lub HDWDM (ang. High DWDM).
Każdy z wymienionych systemów znajduje zastosowanie w trochę innych obszarach
telekomunikacji. Systemy NWDM i CWDM są stosowane w sytuacjach, gdy liczba
kanałów optycznych nie przekracza kilku (zwykle 8) kanałów. Ich podstawowy
obszar zastosowania to sieci miejskie i sieci dostępowe. Z kolei gęste zwielokrot-
nienie jest wykorzystywane do transmisji kilkudziesięciu a nawet kilkuset kanałów
optycznych. Główny obszar zastosowania tego typu rozwiązań obejmuje sieci
dalekiego zasięgu; rzadziej sieci miejskie.
10
Wprowadzenie
Koncepcję zwielokrotnienia falowego po raz pierwszy szerzej omówiono w artykule
autorstwa O. E. DeLangego pt.: Wide-band optical communication systems, Part
II-Frequency-Division Multiplexing, który ukazał w nr 10 Proceedings of IEEE
z roku 1970. W latach 70. pojawiają się pierwsze elementy składowe potrzebne do
budowy systemów ze zwielokrotnieniem falowym, a pierwsze próby praktycznego
zastosowania tej techniki transmisji przeprowadzono w warunkach laboratoryjnych
w roku 1977. Opis tego eksperymentu można znaleźć w artykule S. Sugimoto pt.:
High-speed digital-signal transmission experiments by optical wavelength-division
l11ultiplexing, który opublikowano w czasopiśmie Electronics Letters w październiku
1977 roku. Jednakże ich pierwsze komercyjne wdrożenia odnotowujemy dopiero
w połowie lat 80. Były to systemy wykorzystujące dwa kanały optyczne na
długości fali 1310 nm i 1550 nm. Były one określane mianem szerokopasmowych
systemów WDM (ang. WWDM - Wideband WDM). Wraz z rozwojem technologii
półprzewodnikowej pozwalającej na produkowanie tanich, niezawodnych i o dob-
rych parametrach laserów półprzewodnikowych pracujących w obszarze trzeciego
okna optycznego zaczęto w latach 90. interesować się systemami WDM pracującymi
tylko w rejonie długości fali 1550 nm.
Wykorzystanie rejonu trzeciego okna optycznego daje wiele korzyści, do których
przede wszystkim należy zaliczyć: niską tłumienność światłowodu, małą wartość
dyspersji chromatycznej (przy stosowaniu włókien światłowodowych z przesuniętą
charakterystyką dyspersji), możliwość wzmocnienia sygnału na drodze optycznej za
pomocą wzmacniaczy wykorzystujących włókna krzemionkowe domieszkowane
erbem. Początkowo były to systemy o liczbie kanałów od 2 do 8 z odstępem
wynoszącym 200 GHz lub 400 GHz. W połowie lat 90. pojawiają się systemy
o większej liczbie kanałów wynoszącej 16 oraz 32 z odstępem między kanałami na
poziomie 100 GHz lub 200 GHz. Pod koniec lat 90. mamy do czynienia z wdrożeniami
do eksploatacji systemów o liczbie kanałów przekraczającej 64 i odstępie między nimi
wynoszącym 50 GRz lub 100 GRz. Kolejne zwiększanie gęstości upakowania kanałów
optycznych było ściśle związane z udoskonalaniem konstrukcji laserów półprzewodni-
kowych oraz krotnic falowych, tj. multiplekserów i demultiplekserów. W roku 1998
pojawia się pierwsze zalecenie ITU-T (ang. International Telecommunication Union-
Telecommunication) dotyczące systemów WDM; jest to dokument G. 692 pt.: Optical
interfaces for multichannel systems with optical amplifiers.
Ostatnie lata przynoszą wdrażanie systemów o ciągle zwiększającej się liczbie
kanałów. Zwiększanie liczby kanałów jest uzyskiwane nie tylko przez zmniejszenie
odstępu między kanałami, ale również przez adoptowanie do celów transmisyjnych
dodatkowych pasm optycznych (szerzej na ten temat w rozdz. III).
W Polsce pierwsza testowa instalacja systemu ze zwielokrotnieniem falowym
miała miejsce w drugiej połowie lat 90. w sieci Telekomunikacji Polskiej.
Transmisję przeprowadzono w relacji Warszawa-Bydgoszcz. Wykorzystano do
tego celu system firmy Lucent Technologies OLS400G o 80 kanałach optycznych.
Zmiany zachodzące w systemach ze zwielokrotnieniem falowym nie idą tylko
w kierunku zwiększenia przepustowości (inaczej mówiąc pojemności informacyjnej)
Wprowadzenie
11
światłowodów przez dodawanie kolejnych kanałów, zmianie podlega również
wykorzystywana topologia sieci. W pierwszym etapie rozwoju tych systemów
dominowała topologia najprostsza, tj. typu punkt-punkt. Wraz z próbami wykorzys-
tania systemów ze zwielokrotnieniem falowym do zastosowań wymagających
większej elastyczności (np. w sieciach miejskich) zaczęto stosować topologię
pierścieniową. Rozwój tego typu systemów rozpoczął się w drugiej połowie lat 90.
Taka konstrukcja systemu wymaga realizowania funkcji wprowadzania i wy-
prowadzania (ang. add - drop) kanałów optycznych na drodze optycznej. Wymusiło
to pojawienie się i rozwój optycznych krotnic transferowych początkowo nieprze-
strajalnych, a później również przestrajalnych. Dalszy rozwój sieci optycznych to
przejście do topologii o większej elastyczności, czyli kratowej, bądź w fazie
przejściowej do mieszanej łączącej cechy topologii pierścieniowej i kratowej. Tu
z kolei specyfika pracy tego typu konfiguracji połączeniowej wymusza wprowa-
dzenie nowego elementu - przełącznicy optycznej, która umożliwia przełączanie
kanałów na drodze optycznej.
W systemach WDM daje się również zauważyć zmiany prowadzące do zwiększania
się ich "elastyczności"; czyli w kierunku systemów, gdzie kanały optyczne
o określonej długości fali nie są już przypisane do danego użytkownika, ale są
przydzielane w sposób dynamiczny. Tego typu rozwiązania wymagają wprowadze-
nia do użytku konwerterów długości fali.
Technika transmisji WDM dzięki zapewnianiu olbrzymich przepustowości oraz
dzięki swej prostocie działania, a przez to i dużej niezawodności, jest w stanie
sprostać wciąż wzrastającym wymaganiom na pasmo, co jest bezpośrednio
wywołane przez wprowadzanie coraz bardziej złożonych usług teleinformatycznych.
W publikacji [1.1] przedstawiono bardzo interesującą analizę tego zagadnienia.
Według autorów w latach 70., 80. i częściowo 90. miał miejsce liniowy wzrost
iloczynu przepustowości informacyjnej i odległości. Jednakże od połowy lat 90.
zauważalne jest odchodzenie od liniowego charakteru tych zmian. Według autorów
[1.1] przepustowość systemów optycznych nie podwaja się dwukrotnie co 6 miesięcy
jak to opisuje tzw. optyczne prawo Moore'a, ale co 45 miesięcy. Iloczyn
przepustowości informacyjnej i odległości jest równy 10. 2 r/3 ,75, gdzie r jest danym
rokiem minus 2000. Zaspokojenie takich potrzeb będzie się oczywiście wiązać
z wieloma zmianami współcześnie pracujących systemów; należy się tu spodziewać
chociażby rozszerzenia zakresu wykorzystywanych pasm optycznych.
Jeśli chodzi o rozwiązania, które mogą być konkurencyjne względem techniki
WDM, to można tu wspomnieć o systemach ze zwielokrotnieniem czasowym (ang.
TDM - Time Division Multiplexing). Jednakże współczesne systemy WDM
pozwalają na uzyskanie przepustowości zdecydowanie przekraczających możliwości
nawet najlepszych systemów ze zwielokrotnieniem czasowym. W przypadku tych
ostatnich największym ograniczeniem jest szybkość pracy elementów elektronicz-
nych. Zakłada się, że systemy wykorzystujące zwielokrotnienie czasowe w dzie-
dzinie elektrycznej (ang. ETDM - Electrical TDM) mogą zapewnić przepływności
-
12
Wprowadzenie
Przepustowość
[ Gbit/s]
10,0
320x40 Gbit/s
320x 10 Gbit/s
160x 10 Gbit/s
1000, O
100,0
32 x 2,5 Gbit/s
TOM
4 x 2,5 Gbit/s
1,0
2,5 Gbit/s
0,1
1992 1996 2000
Rys. 1.1. Porównanie systemu WOM i TOM
2004 Rok
$ na kbit/s
14,0 $
12,0 $
10,0 $
8,0 $
6,0 $
4,0 $
2,0 $
TOM
WOM
x 4 x 6 x 10 x 15 Przepustowość
Rys. 1.2. Koszty przypadające na kbitJs dla systemu TOM iWOM
przy zwiększającej się przepustowości
dochodzące do ok. 50 Gbit/s. Dla większych przepływności należy stosować drogie
i dość wyrafinowane, pod względem technicznym, metody generowania bardzo
krótkich impulsów światła i ich zwielokrotnienia w dziedzinie optycznej (ang.
Optical TDM). Na rysunku 1.1 pokazano uzyskiwane przepustowości przez
systemy WDM i TDM. Widać wyraźnie, że od połowy lat 90. systemy TDM
przestają być konkurencją dla systemów WDM [1.2].
Wprowadzenie
13
Kolejną przewagę techniki WDM nad techniką TDM pokazano na rys. 1.2, na
którym porównano koszty systemu jednokanałowego TDM i systemu WDM przy
zwiększającej się przepustowości spowodowanej zwiększeniem liczby kanałów
optycznych [1.3].
Należy tu zaznaczyć, że obecne systemy transmisji optycznej wykorzystują
połączenie techniki TDM i WDM. Jednakże, ze względu na zasięg transmisji we
współczesnych systemach telekomunikacji optycznej wyraźna jest tendencja do
przede wszystkim zwiększania liczby kanałów i ograniczonego zwiększania
przepływności w kanałach.
Inna technika zwielokrotnienia, z którą wiązano duże nadzieje to optyczne
zwielokrotnienie kodowe (ang. OCDM - Optical Code Division Multipling).
Systemy OCDM są realizowane w technice koherentnej i niekoherentnej z wyko-
rzystaniem rozpraszania czasowego lub widmowego. Analizy teoretyczne wskazują
na olbrzymi potencjał jaki drzemie w tej technice. Jednak rzeczywiste możliwości
są bardzo skromne; co powoduje, że nie stanowią obecnie konkurencji dla
możliwości, jakie daje technika WDM [1.4].
Podstawowym sektorem rynku telekomunikacyjnego dla systemów WDM są
w dalszym ciągu sieci dalekiego zasięgu charakteryzujące się dużą agregacją ruchu
telekomunikacyjnego. Są tu wykorzystywane przede wszystkim systemy z gęstym
zwielokrotnieniem. Dochody na rynku systemów typu DWDM wzrastają z roku na
rok. W tabeli 1.1 pokazano wartości dochodów w skali całego globu oraz
zachodzące zmiany w porównaniu z poprzednim rokiem [1.5].
Tabela 1.1. Dochody na rynku systemów DWOM
Rok Dochód [mln $] Zmiana
1998 980 -
1999 1518 54,9
2000 2225 46,6
2001 3039 36,6
2002 4033 32,7
2003 5239 29,9
Zauważalny jest bardzo silny wzrost dochodów na rynku systemów DWDM
wynikający z bardzo dużego wzrostu zapotrzebowania na olbrzymie przepustowości
wywołanego przede wszystkim rozwojem różnego rodzaju usług multimedialnych.
Wprawdzie przyrost dochodów co roku ulega ciągłemu zmniejszaniu się, ale i tak
jest utrzymywany on na bardzo wysokim poziomie.
Na podstawie przedstawionych informacji można wywnioskować, że teraźniejszość
i bliżej nieokreślona przyszłość systemów telekomunikacji optycznej jest bezpo-
średnio związana z techniką zwielokrotnienia falowego.
14
Wprowadzenie
Literatura
[] .11 E. Desurvire: Optical COl1Il1lunications in 2025. Proceedings of ECOC 2005. 31 European
Conference on Optical Communications, Glasgow (Wielka Brytania) 2005
[1.2] L Kaminov, T. Li: Optical Jiber Telecol1lmunications IVB. COl1lponents. Academic Press, San
Diego (Stany Zjednoczone) 2002
[1.31 P. Ferreira i inni: Optical networks and the Juture oJ broadband services. Technological
Forecasting & Social Change, vol. 69, nr, 7, str. 74]-758,2002
[1.41 A. Stok, E. H. Sergent: System performance cOl1lparison oJ optical CDMA and WDMA in
broadcast local area network. IEEE Communications Letters, vol. 6, nr 9, str. 409-411, 2002
[ 1.5] Materiały firmy Insight Research Inc.
Rozdział
Wybrane elementy składowe
systemów WDM
,
2.1. Zródła światła
,
Zródła światła wykorzystywane w technice transmisji WDM można podzielić na
źródła emitujące jedną długość fali (są to lasery przestrajalne i nieprzestrajalne)
oraz lasery emitujące wiele długości fali. Do najczęściej stosowanych konstrukcji
laserów generujących jedną długość fali możemy zaliczyć: lasery Fabry-Perota,
lasery z rozłożonym sprzężeniem zwrotnym (ang. DFB - Distributed FeedBack)
i z rozłożonym reflektorem Bragga (ang. DBR - Distributed Bragg Reflector) oraz
lasery z pionową wnęką emitujące powierzchniowo (ang. VCSEL - Vertical Cavity
SurJace Emitting Laser). Na rysunku 2.1 pokazano konstrukcję lasera Fabry-Perota,
na rys. 2.2 lasery typu DFB i DBR, a na rys. 2.3 laser typu VCSEL.
Rozkład pola
optycznego
Obszar czynny
tnP
Wiązka
wyjściowa
Rys. 2.1. Konstrukcja lasera Fabry-Perota [2.1]
16
Wybrane elementy składowe systemów WDM
a
"'" Zwierciadło Bragga
(sprzężenie i odbicie)
Warstwa czynna
(obszar wzmocnienia)
Kontakt
(zasilanie)
b
Zwierciadło Bragga
(sprzężenie i odbicie)
Warstwa czynna
(obszar wzmocnienia)
Rys. 2.2. Konstru kcja
lasera typu: a) DFB, b) DBR
(b) [2.1]
Kontakt
(zasilanie)
Zwierciadło Bragga
Wnęka rezonansowa
i obszar czynny
Zwierciadło Bragga
Strumień wyjściowy
Rys. 2.3. Konstrukcja
lasera VCSEL [2.1]
Szczególnie duże znaczenie ma ostatnia z przedstawionych konstrukcji. Lasery
tego typu emitują wiązkę o przekroju kołowym i o bardzo małej rozbieżności ze
względu na niewielką dyfrakcję; poza tym emitowana wiązka światła nie wykazuje
astygmatyzmu. Lasery tego typu generują pojedynczy mod wzdłużny oraz pracują
przy prądzie zasilania stanowiącym ok. 33% prądu zasilania lasera Fabry-Perota
i 25 % lasera DFB.
Z punktu widzenia techniki WDM bardzo ważna jest możliwość przestrajania
źródeł światła. Jako lasery przestrajalne wykorzystuje się przede wszystkim
konstrukcje oparte na laserach: DFB, DBR, z zewnętrzną wnęką rezonansową, czy
też VCSEL. Lasery przestrajalne powinny spełniać następujące wymagania:
- niezawodność: długi czas życia,
,
2. 1. Zródła światła
17
- stabilność: żądana długość fali musi być uzyskiwana w bardzo krótkim czasie
i z dużą dokładnością.
Do podstawowych metod przestrajania laserów zaliczamy:
- mechaniczną kontrolę właściwości wnęki rezonansowej,
- zmianę temperatury,
- zmianę prądu zasilania.
Przykładem przestrajalnego źródła wykorzystującego mechaniczną kontrolę właś-
ciwości wnęki rezonansowej jest konstrukcja oparta na strukturze Fabry-Perota
z zewnętrzną wnęką rezonansową (rys. 2.4).
Siatka Filtr modów
dyfrakcyjna bocznych
\ \
Soczewka
/
.::::: I
Izolator optyczny
\
<:: .
Sprzęgacz
\
Wyjście
Struktura
półprzewodnikowa
lasera (ośrodek
wzmacniający)
Dioda monitorująca -- *
1-'
.
Rezonator lasera
.
Rys. 2.4. Przestrajalny laser z zewnętrzną wnęką rezonansową i ruchomą siatką
dyfrakcyjną
Zmiana długości fali jest tu przeprowadzana przez zmianę położenia siatki
dyfrakcyjnej. W wyniku zmiany jej położenia tylko określone długości fali
(długości fali sygnału odbitego od siatki dyfrakcyjnej pod odpowiednim kątem)
powracają do obszaru aktywnego struktury półprzewodnikowej. Tego typu
konstrukcja pozwala na uzyskanie zakresu przestrajania wynoszącego nawet
kilkadziesiąt nm. Wadą tej konstrukcji jest konieczność zapewnienia dużej
stabilności termicznej i mechanicznej.
Struktury laserowe typu DFB można przestrajać przez zmianę temperatury.
W wyniku zmiany temperatury następuje zmiana wartości współczynnika załamania
materiału w obrębie wnęki rezonansowej. Można spotkać się z konstrukcjami
pozwalającymi na zmianę długości fali do ok. 5 nm [2.2]. Wadą tego typu sposobu
przestrajania jest długi czas samego przestrajania, który może dochodzić nawet do
kilkuset ms.
Zdecydowanie szybsze przestrajanie możemy uzyskać wykorzystując zmianę prądu
zasilania. Jest to wykonywane w konstrukcjach typu DFB jak i DBR. Na rysunku
2.5 pokazano przykład przestrajalnego lasera typu DFB.
18
Wybrane elementy składowe systemów WDM
11
1 2
1 1
1 2
Rys. 2.5. Przestrajalne lasery
DFB dwu- i trójelektrodowe
Mechanizm przestrajania sprowadza się do zmiany wartości współczynnika
załamania materiału w obrębie wnęki rezonansowej wywołanej zmianą prądu
zasilania. Uzyskiwany czas przestrajania jest rzędu ns. Tego typu rozwiązania
pozwalają na zmianę długości fali do ok. 10-15 nm [2.2].
W tabeli 2.l pokazano porównanie właściwości laserów przestrajalnych.
Tabela 2.1. Zestawienie wad i zalet poszczególnych laserów przestrajalnych
Typ lasera Sposób regulacji Zalety Wady
długości fal i
DFB Zmiana temperatury 1. Stabilność Niewielki zakres prze-
i/lub prądu zasilające- 2. Łatwość regulacji strajania
go cały laser lub jego 3. Duża niezawodność
segment
DBR Zmiana prądu zasila- Prosta konstrukcja 1. Złożona regulacja prą-
jącego segmenty du w przypadku kilku
segmentów
2. Problemy ze stabilno-
ścią modów
Lasery Fabry- Mechaniczna zmiana 1. Szeroki zakres prze- Problemy ze stabilnością
-Perota z ze- długości wnęki strajania mechaniczną i termiczną
wnętrzną wnę- 2. Niski koszt
ką optyczną 3. Łatwa regulacja
VCSEL Mechaniczna zmiana 1. Szeroki zakres prze- Niska moc wyjściowa
długości wnęki strajania
2. Łatwa regulacja
Korzystanie ze źródeł światła generujących jedną długość fali, nawet z możliwością
jej zmiany, jest mało atrakcyjne pod względem technicznym i ekonomicznym
w systemach WDM. Zdecydowanie lepsze możliwości dają źródła równocześnie
generujące wiele długości fali. Jedną z takich konstrukcji pokazano schematycznie
na rys. 2.6. Przedstawiona konstrukcja składa się z szyku siatek falowodowych
(ang. A WG - Arrayed Waveguide Grating) i wzmacniaczy poszczególnych
kanałów optycznych. Szyk siatek falowodowych i układ wzmacniaczy optycznych
służy do selekcji konkretnej długości fali i jej wzmocnienia. Położenie luster
określa wnękę rezonansową lasera. Dodatkowo, jeśli szyk siatek falowodowych
jest przestrajalny, to możemy zmieniać zakres emitowanych długości fali. W pracy
[2.4] pokazano przykład konstrukcji umożliwiającej równoczesne generowanie 18
długości fali.
,
2. 1. Zródła światła
19
Lustro
Szyk siatek
falowodowych
Wzmacniacz
optyczny
Wyjście
4
FPR
FPR
Falowód
Falowód Lustro
Rys. 2.6. Schemat konstrukcji lasera wieloczęstotliwościowego wykorzystującego
strukturę AWG; FPR (ang. Free Propagation Region) - obszar wolnej propagacji
TOM
MUX
Generator
2,5 Gbit/s
A 1
Laser
impulsowy I
Swiatłowód (15 km)
Modulator
s....
Q)
en
Q)
. 0. 0
; $
E
Q)
o
Światłowód
An
Rys. 2.7. Konstrukcja źródła WDM wykorzystującego źródło krótkich impulsów światła
Przykład konstrukcji źródła WDM wykorzystującego generację krótkich impulsów
światła (ang. Ch irpe d-puls e WDM source) pokazano na rys. 2.7 [2.5]. W przed-
stawionym w pracy [2.5] rozwiązaniu laser światłowodowy typu MLEFL (ang.
Mode Locked Erbium Fiber Laser) generuje krótki 100 fs impuls gaussowski
o szerokości pasma wynoszącym 4,4 THz (daje to nam 44 kanały WDM przy
odległości między nimi 100 GHz). Sygnał ten przechodząc przez 15 km odcinek
światłowodu podlega działaniu dyspersji chromatycznej, w wyniku czego następuje
jego poszerzenie w dziedzinie czasu. Dalej sygnał jest modulowany i rozdzielany
przez demultiplekser WDM (rys. 2.7).
Możemy jako źródło światła dla systemów WDM również wykorzystać konstrukcję
złożoną ze źródła szerokopasmowego i wąskopasmowego filtra optycznego. Zwykle
20
Wybrane elementy składowe systemów WDM
w tego typu rozwiązaniach jako źródło światła stosuje się: diodę superluminescen-
cyjną, źródło wzmocnieniowej emisji spontanicznej czy też laser typu Fabry-Perota.
Jako filtr wykorzystywany jest szyk siatek falowodowych, korzysta się również
z filtra Fabry-Perota. Wadą tego rozwiązania jest konieczność stosowania za
nadajnikiem wzmacniacza optycznego (mała moc optyczna na wyjściu źródła).
Należy również zwrócić uwagę na dość znaczny poziom szumu generowanego
przez szerokopasmowe źródła światła.
Impulsy światła Światłowód Superkontinuum Filtr optyczny
Nośne optyczne
".
I J ł
II
'Jł l
--. lj,\.
'"
Czas --.......
----ł-
--.....
Długość fali
.
Przepuszczany jest
tylko jeden mod
Rys. 2.8. Zasada działania źródła superkontinuum
Duże nadzieje wiąże się z tzw. źródłem superkontinum. Zjawisko superkontinum
zachodzi w elementach nieliniowych, np. w światłowodach czy też materiałach
półprzewodnikowch i jest wynikiem wzajemnego oddziaływania: zjawiska self
- fokus, samomodulacji fazy, modulacji skrośnej i mieszania czterofalowego. Na
rysunku 2.8 pokazano ogólną zasadę pracy takiego źródła przeznaczonego do
tworzenia wielu nośnych optycznych. Tworzenie superkontinuum polega na tym,
że do światłowodu (o dużej nieliniowości) wprowadza się impulsy światła o czasie
trwania rzędu ps i dużym poziomie mocy optycznej. Impulsy światła mogą być
generowane przez laser z synchronizacją modową (ang. MLL - Mode Locked
Laser), na którego wyjściu znajduje się wzmacniacz optyczny. Szerokie widmo na
wyjściu światłowodu otrzymujemy w wyniku przesuwania w zakresie widma
superkontinuum poszczególnych modów wzdłużnych lasera z synchronizacją
modową. Sygnał superkontinuum charakteryzuje się niskim poziomem szumu oraz
dużą koherencją [2.6].
2.2. Wzmacniacze optyczne
W systemach telekomunikacji światłowodowej dalekiego zasięgu stosuje się dwa
typy wzmacniaczy optycznych, tj. wzmacniacze, których konstrukcja jest oparta na
światłowodach domieszkowanych pierwiastkami ziem rzadkich i wzmacniacze
Ramana. Te ostatnie zdobywają coraz większą popularność i prawdopodobnie będą
dominować w przyszłych realizacjach transmisji optycznej. W przypadku sieci
miejskich i niektórych rozwiązań sieci dostępowych stosuje się przede wszystkim
trzeci rodzaj wzmacniaczy optycznych, czyli wzmacniacze półprzewodnikowe
(ang. SOA - Semiconductor Optical Amplifier).
2.2. Wzmacniacze optyczne
21
2.2.1. Wzmacniacze światłowodowe domieszkowane pierwiastkami
ziem rzadkich
Klasycznym przykładem tego typu wzmacniacza jest wzmacniacz EDFA (ang.
Erbium Doped Fiber Amplifier). Ta konstrukcja jest przeznaczona do pracy
w trzecim oknie optycznym, czyli w rejonie długości fali 1550 nm. Podstawowym
elementem tych wzmacniaczy jest odcinek światłowodu krzemionkowego domiesz-
kowanego erbem (rys. 2.9).
.
.
.
.
.
. .
: Swiatłowód
.
:domieszkowany erbem
-
,..., """'
I
Izolator Sprzęgacz . \. .J .J. j Izolator
.
.
.
.
.
/
Laser (pompa)
980 nm lub 1480 nm
Rys. 2.9. Budowa wzmacniacza
typu EOFA
Proces wzmacniania sygnału we wzmacniaczu EDFA jest uzyskiwany w skutek
zachodzenia zjawiska emisji wymuszonej. Emisja wymuszona ma miejsce w oś-
rodku domieszkowanym erbem (Er+ 3 ), w którym występuje tak zwana inwersja
obsadzeń, czyli mówiąc inaczej w ośrodku, w którym liczba atomów w wyższym
stanie energetycznym jest większa od liczby atomów w niższym stanie energetycz-
nym. W naszym przypadku inwersja obsadzeń uzyskiwana jest dzięki odpowied-
.H.
-..
Poziom metastabilny
(])
c:::
co
A p = 980 nm g,
E
o
a..
(])
c:::
co
o
Q.
E
o
A p 1480 nm a..
Emisja A= 1550 nm
.
Poziom podstawowy
Rys. 2.10. Przejścia energetyczne w erbie
22
Wybrane elementy składowe systemów WDM
niemu wzbudzeniu ośrodka aktywnego, które realizowane jest przez pompowanie
optyczne (rys. 2.10) [2.7]. Dostępne na rynku wzmacniacze światłowodowe typu
EDFA zapewniają wzmocnienie około 15 - 30 dB [2.8].
Na rysunku 2.11 przedstawiono charakterystykę widmową wzmocnienia wzmac-
niacza typu EDFA dla różnych wartości mocy pompy optycznej.
50
45
40
35
..........
en
"'C
.......... 30
(])
c:::
(]) 25
c:::
()
o
E 20
N
15
10
5
P p = 19 [dBm]
P p = 17 [dBm]
-- -- - P p = 16 [dBm]
P p = 15 [dBm]
P p = 14 [dBm]
- -- - - p p = 13 [dBm]
P p = 12 [dBm]
Pp = 11 [dBm]
Pwej = - 42 [dBm]
... --. ... - - - - - - -
--
....
,.--... ......_-----------..
..
..
..
""-- .---.- --. --..- - ---...
"
"
"
"
"
"
"
",..
.,.,..--......
....
.......------
-----------
....
........
........
-
--
",..
",..
-
-
o
1500 1510 1520 1530 1540 1550 1560 1570 1580
Długość fali [nm]
Rys. 2.11. Charakterystyka widmowa wzmocnienia EOF A dla różnych mocy
pompujących Pp
Do pompowania optycznego wykorzystuje się lasery generujące fale o długości
/
980 nm lub 1480 nm. Swiatło z pompy (którym jest laser półprzewodnikowy) jest
wprowadzane do światłowodu przez sprzęgacz. W zależności od kierunku wprowa-
dzania światła z pompy, w odniesieniu do kierunku propagacji fal wzmacnianych,
wzmacniacze EDFA mogą pracować w układzie współbieżnym, przeciwbieżnym
oraz w układzie z dwoma pompami [2.9]. Przeprowadzone badania wskazują, że
lepsze parametry wzmacniacza uzyskuje się w przypadku układu przeciwbieżnego.
Stosowana jest również technika zdalnego pompowania odcinków światłowodu
domieszkowanego erbem, które są włączone w trakt światłowodowy (rys. 2.12) [2.10].
W tym przypadku laser pompujący jest umieszczony w stacji końcowej, w przeci-
wieństwie do klasycznego rozwiązania, w którym pompa optyczna razem z włóknem
domieszkowanym erbem znajduje się w jednym układzie wzmacniającym. Sygnał
generowany przez pompę optyczną umieszczoną w stacji końcowej jest wprowa-
dzany do światłowodu przez multiplekser. Przy zdalnym pompowaniu wykorzystuje
się długość fali równą 1480 nm.
2.2. Wzmacniacze optyczne
23
88M
N
FO
o
8M:Er+ 3
.
I..................................................................... ..
Rys. 2.12. Budowa traktu światłowodowego ze zdalnym pompowaniem światłowodu
domieszkowanym erbem; N - nadajnik, 88M - jednomodowy światłowód standardowy,
8M : Er+ 3 - światłowód krzemionkowy domieszkowany erbem, M - multiplekser optyczny,
p - pompa optyczna, FO - filtr optyczny, O - odbiornik
W obrębie obszaru domieszkowanego erbem dochodzi do procesu emisji wymu-
szonej (co jest zjawiskiem pożądanym) i emisji spontanicznej (co jest zjawiskiem
niepożądanym). Wytworzone w wyniku emisji spontanicznej fotony mają przypad-
kowy kierunek propagacji i przypadkową fazę. Część tych fotonów może się
propagować w kierunku zgodnym z kierunkiem propagacji transmitowanego
sygnału i podobnie jak on zostać wzmocniona. W wyniku tego zjawiska
otrzymujemy tak zwaną wzmocnieniową emisją spontaniczną (ang. ASE -Amplified
Spontaneous Emission). Jest ona źródłem szumu występującego we wzmacniaczach
optycznych. W fotoodbiomiku szum emisji spontanicznej zdudnia się z sygnałem
użytecznym i szumem śrutowym powodując powstanie składowych szumowych
w zakresie pasma elektrycznego odbiornika. W podobny sposób, ze względu na
zajmowanie szerokiego pasma optycznego, szum emisji spontanicznej może
zdudniać się sam ze sobą. Teoretycznie najniższy poziom szumu wzmacniaczy
typu EDFA, wyrażony za pomocą współczynnika szumu (ang. NF - Noise Figure),
wynosi 3 dB.
Duży nacisk prac prowadzonych nad ulepszeniem światłowodowych wzmacniaczy
domieszkowanych pierwiastkami ziem rzadkich kładzie się na rozszerzenie zakresu
wzmacnianego pasma optycznego oraz uzyskanie większej płaskości charakterystyki
wzmocnienia. Jak wspomniano, klasyczne optyczne wzmacniacze światłowodowe
domieszkowane erbem pracują w zakresie tzw. pasma C, tj. w zakresie długości
fali od 1530 nm do 1565 nm. Rozszerzenie zakresu transmisji o pasmo S (1460 nm
- 1530 nm) wymaga zastosowania innego wzmacniacza optycznego niż EDFA.
W grę wchodzą tu wzmacniacze światłowodowe TDFA (ang. Thulium Doped
Fiber Amplifier). Są to włókna optyczne wykonane na bazie szkła fluorkowego
domieszkowanego tulem. Dla tego typu wzmacniaczy udało się uzyskać, w zakresie
długości fali od 1480 nm do ok. 1510 nm, wzmocnienie na poziomie 25 dB
i współczynnik szumu na poziomie 6 dB [2.11]. Dla zakresu fal od 1565 nm do
1625 nm (pasmo L) przewiduje się zastosowanie wzmacniaczy EDFA wykonanych
na bazie szkła krzemionkowego domieszkowanego dodatkowo antymonem lub
tellurem [2.12]. Pojawiają się również informacje o wykorzystaniu wzmacniaczy
TDFA do pracy w paśmie L [2.13]. Wciąż trwają prace nad wzmacniaczami PDFA
24
Wybrane elementy składowe systemów WDM
(ang. Pr-Doped Fluoride Fiber Amplifier) wykorzystywanymi do pracy w drugim
oknie optycznym z przeznaczeniem przede wszystkim do sieci dostępowych
i telewizji kablowej. Dla tego typu wzmacniaczy uzyskuje się wzmocnienie około
24 dB i współczynnik szumu nie niższy niż 6,6 dB [2.14].
Jednym z podstawowych problemów związanych ze wzmacniaczami optycznymi
jest płaskość ich charakterystyki wzmocnienia. Do uzyskania większej płaskości
charakterystyki wzmocnienia możemy posłużyć się statycznymi lub dynamicznymi
filtrami spłaszczającymi charakterystykę wzmocnienia (ang. gain flattening fi/ter).
Obecnie rozwijane są przede wszystkim te drugie konstrukcje [2.15]. Możemy
wyróżnić dwa typy dynamicznych filtrów płaskości charakterystyki wzmocnienia.
Pierwszy z nich jest określany jako filtr "kanał po kanale" (ang. channel by
channel), drugi jako filtr "ciągłej obwiedni" (ang. continuous envelope). Roz-
wiązanie "kanał po kanale" polega na niezależnej regulacji poziomu mocy każdego
z kanałów optycznych. W trakcie wyrównywania poziomów mocy w poszczegól-
nych kanałach sygnał WDM podlega demultipleksacji, dalej odbywa się korekta
poziomu mocy optycznej w każdym z kanałów i powtórna multipleksacja do
postaci sygnału WDM. Zaletą tej metody jest bardzo duża dokładność, a wadą:
dość duże straty mocy optycznej, mała elastyczność i wysoki koszt. W przypadku
rozwiązań "ciągłej obwiedni", aby uzyskać określoną charakterystykę filtracyjną
stosujemy np. filtry wycinające (ang. notch), realizowane za pomocą przestrajalnych
filtrów akustooptycznych lub matrycy siatek dyfrakcyjnych. Modyfikacje charak-
terystyki przeprowadza się przez zmianę parametrów filtrów wycinających. Tego
typu rozwiązanie pozwala na uzyskanie płaskości charakterystyki wzmocnienia na
poziomie + 0,5 dB [2.15].
A
B
c
co
o
()
'en
.
()
o
Moc wejściowa
Q)
c:
Q)
c:
()
o
E
N
Moc wyjściowa
Rys. 2.13. Tryby pracy
wzmacniaczy optycznych;
A - zakres pracy
przedwzmacniacza, B - zakres
pracy wzmacniacza
przelotowego, C - zakres pracy
wzmacniacza końcowego
2.2. Wzmacniacze optyczne
25
Wzmacniacze optyczne mogą pracować w trybie pracy wzmacniacza końcowego
(mocy) (ang. power amplifier lub booster amplifier), przelotowego (liniowego)
(ang. in-line amplifier) i jako przedwzmacniacz (ang. pre-amplifier). Na rysunku
2.13 pokazano zakresy pracy poszczególnych trybów pracy wzmacniacza [2.16].
Wzmacniacz końcowy jest umieszczany za nadajnikiem i jego zadaniem jest
nadanie odpowiedniego poziomu mocy optycznej sygnału wprowadzanego do
traktu światłowodowego. Wzmacniacz przelotowy ma za zadanie kompensację
strat mocy optycznej wywołanej tłumieniem określonego odcinka światłowodu.
W zależności od parametrów wzmacniacza optycznego wzmacniacze przelotowe
umieszcza się w odległościach około 60-100 km. Z kolei przedwzmacniacz
umieszcza się na wejściu odbiornika. W tabeli 2.2 pokazano parametry przy-
kładowego wzmacniacza typu EDFA.
Tabela 2.2. Parametry przykładowego wzmacniacza typu EDFA
Jednostka Wartość
Zakres długości fali nm 1530-1560
Współczynnik szumu* dB 4,5
Moc wyjściowa w nasyceniu* dBm > 17
Wzmocnienie małosygnałowe** dB > 30
Wzmocnienie zależne od polaryzacji dB < 0,2
Różnicowe opóźnienie grupowe wywołane przez
dyspersję polaryzacyjną ps < 0,5
Zasilanie W <8
* moc wejściowa O dBm przy 1550 nm + 5 nm
** moc wejściowa - 30 dBm przy 1550 nm
2.2.2. Wzmacniacze Ramana
We wzmacniaczach tego rodzaju zjawiskiem powodującym wzmocnienie jest
wymuszone nieelastyczne rozpraszanie Ramana (ang. SRS - Stimulated Raman
Seattering). Rozpraszanie to powoduje przeniesienie energii z sygnału pompy do
Pompa
/
+-ol
Q.
o
()
o
1460
1540 Długość fali [nm]
Rys. 2.14. Mechanizm
wzmocnienia Ramana
26
Wybrane elementy składowe systemów WDM
sygnału użytecznego. Moc pompy we wzmacniaczu Ramana wynosi około 500
- 750 mW. W rejonie trzeciego okna optycznego pasmo wzmocnienia tego typu
wzmacniacza jest równe ok. 50 nm; maksymalna wartość wzmocnienia występuje
na długości fali o 100 nm dłuższej niż długości fali pompy (rys. 2.14).
Na rysunku 2.15 pokazano mechanizm działania wzmocnienia Ramana w funkcji
długości światłowodu przy stosowaniu pompowania przeciwbieżnego dla różnych
-' . ..
wartoscI wzmocnIenIa.
1,00 G = 23 dB
.--. /
E /
.......... /
co /
C
N /
() /
-
+-ol -
g- 0,10 -.-./ . G = 9 dB
() ,.
,. Rys. 2.15. Działanie
o ,.
",..
""
wzmacniacza Ramana przy
"" G=3dB pompowaniu przeciwbieżnym
G = O dB dla różnych wartości
0,01 wzmocnienia;
O 25 50 75 100 Odległość [km] G - wzmocnienie
Wzmacniacze Ramana można podzielić na dwa rodzaje. Pierwszy z nich to
dyskretne wzmacniacze Ramana (ang. Discrete Raman Amplifier), a drugi to
rozłożone wzmacniacze Ramana (ang. Distributed Raman Amplifier). We wzmac-
niaczach dyskretnych stosuje się światłowody wykazujące bardzo dużą nieliniowość;
z kolei we wzmacniaczach rozłożonych wykorzystuje się klasyczne światłowody
stosowane do budowy traktów światłowodowych. Wzmacniacze Ramana mogą być
pompowane współbieżnie, przeciwbieżnie oraz równocześnie współbieżnie i prze-
ciwbieżnie. Najczęściej we wzmacniaczach Ramana sygnał pompujący jest
wprowadzany do światłowodu w kierunku przeciwnym do propagacji sygnału
wzmacnianego. Przeprowadzone eksperymenty [2.17] wykazują jednak, że najlepsze
właściwości wzmacniające uzyskujemy przy równoczesnym wprowadzaniu sygnału
pompy w kierunku zgodnym z propagacją sygnału i w kierunku przeciwnym.
W opisanym eksperymencie jako pomp optycznych użyto laserów emitujących falę
na długościach 1425 nm oraz 1455 nm i o mocach wynoszących 350 mW.
Odległość między miejscami wprowadzania sygnałów pomp wynosiła 50 km.
W porównaniu z układem przeciwbieżnym w układzie dwukierunkowym uzyskano
o 1,5 dB lepszą płaskość charakterystyki wzmocnienia w paśmie od 1525 nm do
1555 nm i poprawę stosunku sygnału do szumu o 3 dB [2.17].
W tabeli 2.3 przedstawiono parametry przykładowego wzmacniacza Ramana.
Warto w tym miejscu wspomnieć o innej definicji współczynnika wzmocnienia
i szumu dla rozłożonych wzmacniaczy Ramana i wzmacniaczy dyskretnych (np.
EDF A). Ta różnica wynika z faktu, że w przypadku konstrukcji rozłożonych proces
wzmocnienia i generacji szumu odbywa się na pewnej, nieraz dość znacznej,
2.2. Wzmacniacze optyczne
27
Tabela 2.3. Parametry przykładowego wzmacniacza Ramana
Jedn. Min. Typowe Max.
Zakres pracy nm
Pasmo C 1528 1562
Pasmo L 1570 1605
Wzmocnienie dB 10 16
dla G. 652,
G. 653, G. 655
Płaskość charakterystyki dB 1,0
wzmocnienia
Moc wyjściowa dBm -40 10
Moc pompy mW 600
Wzmocnienie zależne dB 0,5
od polaryzacji
Efektywny współczynnik dB -1,5
szumu
długości światłowodu. W przypadku rozłożonego wzmacniacza Ramana współ-
czynnik wzmocnienia jest określany jako różnica mocy wyjściowej przy włączonej
pompie optycznej i przy jej wyłączeniu. W przypadku wzmacniaczy dyskretnych
współczynnik wzmocnienia określa się jako iloraz mocy na wyjściu wzmacniacza
do mocy na jego wejścia. Dla wzmacniaczy dyskretnych współczynnik szumu jest
definiowany jako iloraz stosunku sygnału do szumu na wejściu wzmacniacza do
stosunku sygnału do szumu na wyjściu wzmacniacza. Dla rozłożonego wzmacniacza
o
Pompa
Pompa
Moc
optyczna
Efekty
nieliniowe
Szum
Ze wzmocnieniem Ramana
Bez wzmocnienia Ramana
Rys. 2.16. Realizacja wzmocnienia sygnału za pomocą wzmacniacza EDFA
i wzmacniacza Ramana
28
Wybrane elementy składowe systemów WDM
Ramana ten parametr jest interpretowany inaczej [2.] 8]. Różnica polega na
uwzględnieniu tłumienia odcinka światłowodu, na którym ma miejsce proces
wzmacniania (dlatego też wartość tego parametru może osiągać wartości minus
kilku dB). Ten parametr szumowy określa się jako efektywny współczynnik szumu
(ang. effective noise Jigure). Ze względu na stosunkowo małą wartość wzmocnienia
uzyskiwanego za pomocą wzmacniaczy Ramana obecnie najczęściej wykorzystuje
się je w połączeniu ze wzmacniaczami typu EDF A (rys. 2.] 6). Dzięki takiemu
rozwiązaniu mamy możliwość utrzymania w światłowodzie sygnału na odpowied-
nim poziomie bez wchodzenia w zakres zbyt dużych mocy (mogących spowodować
wystąpienie efektów nie liniowych) oraz zbyt małych mocy (mogących doprowadzić
do uzyskania niebezpiecznie małej wartości stosunku sygnału do szumu).
W tablicy 2.4 zestawiono dane powalające na porównanie właściwości wzmacniaczy
EDF A i Ramana.
Tabela 2.4. Porównanie wzmacniaczy EDFA i Ramana
EDFA Wzmacniacz Ramana
Zakres pracy Rejon III okna optycznego Zależny od długości fali
. .
pompującej
Szerokość pasma ok. 30-40 nm ok. 50 nm
wzmocnienia
Wzmocnienie > 20 dB 4-11 dB
Zależne od koncentracji Proporcjonalne do natężenia fali
domieszek, długości włókna . .
pompującej
i ustawienia pompy
Długość fali pompy 980 nm i 1480 nm Przesunięta o 100 nm w stronę
fal krótszych względem
maksimum wzmocnienia
Podstawową wadą wzmacniaczy Ramana jest mniejsza wartość ich wzmocnienia
w porównaniu z konkurencyjnymi wzmacniaczami EDF A. Prowadzi się wiele prac
mających na celu poprawę tego parametru. W pracy [2.19] przedstawiono
eksperymentalną transmisję o przepływności ] O Gbit/s na odległość 1800 km
z wykorzystaniem rozłożonego wzmacniacza Ramana o wzmocnieniu 45 dB.
2.2.3. Wzmacniacze półprzewodnikowe
Pod względem konstrukcyjnym optyczne wzmacniacze półprzewodnikowe są
podobne do diod laserowych. Wykorzystuje się w nich te same struktury
półprzewodnikowe; z tym, że końce wnęki rezonansowej pokryte są materiałami
antyodblaskowymi. Jednym z najprostszych, pod względem konstrukcyjnym,
wzmacniaczy półprzewodnikowych jest wzmacniacz wykorzystujący strukturę
Fabry-Perota [2.20]. Zasada wzmocnienia opiera się na wykorzystaniu emisji
wymuszonej uzyskiwanej w wyniku przejścia sygnału wzmacnianego przez obszar
2.2. Wzmacniacze optyczne
29
aktywny struktury półprzewodnikowej. W strukturze półprzewodnikowej jest
tworzony stan inwersji obsadzeń poprzez wstrzykiwanie nośników prądu.
Wzmacniacze półprzewodnikowe znalazły zastosowanie przede wszystkim w sie-
ciach miejskich idostępowych.
Na rysunku 2.17 pokazano typową dla tego typu wzmacniacza zależność wzmoc-
nienia od wartości prądu zasilającego [2.20].
Wzmocnienie [dB]
5
15
10
o
I
50
I
100
I
150
200 Natężenie
prądu [mA]
Rys. 2.17. Zależność
wzmocnienia
od prądu zasilającego
dla wzmacniacza
półprzewodnikowego
W przypadku wzmacniaczy półprzewodnikowych zakres pracy, czyli zakres długości
fali, na którym następuje wzmocnienie, jest uzależniony od materiału, z którego
jest wykonana struktura półprzewodnikowa.
W tabeli 2.5 pokazano podstawowe parametry przykładowego optycznego wzmac-
niacza półprzewodnikowego przeznaczonego do pracy w zakresie trzeciego okna
optycznego.
Tabela 2.5. Parametry przykładowego wzmacniacza półprzewodnikowego
Parametr Wartość
Długość fali przy maksymalnym wzmocnieniu 1540 nm
Wzmocnienie* 25 dB
Odchylenie od płaskości charakterystyki 0,5 dB
wzmocnienia
Wzmocnienie zależne od polaryzacji 0,5 dB
Współczynnik szumu 7 dB
Maksymalna moc wyjściowa 10 dBm
Szerokość 3 dB pasma optycznego 40 nm
Prąd zasilania 150 mA
* przy mocy wejściowe -25 dBm
30
Wybrane elementy składowe systemów WDM
Warto zwrócić uwagę na wysoki, w porównaniu z innymi wzmacniaczami, poziom
szumu. Pod tym względem wzmacniacze półprzewodnikowe są najgorsze spośród
tu opisanych wzmacniaczy optycznych.
2.3. Konwertery długości fali
Pod względem funkcjonalnym konwerter długości fali służy do przeprowadzania
konwersji danych transmitowanych na określonej długości fali na inną długość fali
(rys. 2.18). Operacja ta nie może wpływać na jakość przesyłanego sygnału.
.
Konwersja
długości fali
Ab
....
...
Aa
a = 1, 2, ..., n
b = 1, 2, ..., n
Rys. 2.18. Schemat funkcjonalny
konwertera długości fali
Konwerter długości fali powinien spełniać następujące wymagania [2.21]:
- konwersja musi być przezroczysta dla przesyłanego formatu danych oraz ich
przepływności (wymagana jest praca przy przepływnościach przekraczających
10 Gbit/s),
- konwersja powinna zachodzić w kierunku fal krótszych i dłuższych względem
długości fali sygnału poddawanego konwersji w możliwie jak najszerszym
zakresie,
- sygnał wyjściowy powinien charakteryzować się: małym chirpem, dużym
współczynnikiem ekstynkcji oraz dużą wartością stosunku sygnału do szumu,
- brak wpływu na działanie urządzenia stanu polaryzacji sygnału wejściowego,
- możliwość pracy w trybie bez konwersji długości fali,
- możliwość pracy przy niewielkich poziomach mocy optycznej.
Konwertery długości fali możemy podzielić na urządzenia [2.22]: optoelektroniczne
i czysto optyczne. W przypadku konwerterów czysto optycznej główną linią
podziału jest rodzaj wykorzystywanego zjawiska fizycznego. Możemy spotkać się
z konwerterami wykorzystującymi takie zjawiska fizyczne jak: mieszanie falowe,
skrośną modulację fazy czy też skrośną modulację wzmocnienia.
2.3.1. Konwertery optoelektroniczne
W konwerterach optoelektronicznych obróbka sygnału opiera się na konwersji
optycznego sygnału wejściowy na sygnał elektryczny i dalej otrzymanego sygnału
elektrycznego na odpowiedni sygnał optyczny. Przejście z sygnału optycznego na
elektryczny jest realizowane za pomocą fotodiody (zwykle typu pin). Otrzymany
w ten sposób sygnał elektryczny dalej służy do modulacji sygnału optycznego
generowanego przez lasera; zwykle jest to laser przestrajalny. Tego typu konstrukcja
jest wykorzystywana do konwersji sygnałów o przypływnościach do 10 Gbit/s.
- _-: Konwertery długości fali
31
t-" t: 111 przypadku trudno mówić o przezroczystości procesu konwersji. Poza tym
't\ yniku zamiany sygnału optycznego na elektryczny następuje utrata informacji
,_ t(,111at fazy sygnału. W konwerterach optoelektronicznych można łatwo połączyć
. 1 cję konwersji długości fali z regeneracją sygnału przeprowadzaną na sygnale
_ ,: k t ry c zn ym [2.21].
2t3.2. Konwertery czysto optyczne
Konwertery wykorzystujące zjawisko mieszania falowego
.... : korzystywane jest tu zjawisko nieliniowe, w którym to w wyniku oddziaływania
- _' ,obą fal o różnej długości następuje tworzenie sygnałów optycznych na innych
: i J ościach fali (rys. 2.19).
A
a ....
.... Nieliniowy Filtr Ab
Apompy ...
ośrodek optyczny optyczny ...
...
...
Ab = (n - 1 )Apompy- Aa
Rys. 2.19. Wykorzystanie zjawiska mieszania falowego; n = 3 w przypadku mieszania
czterofalowego i n = 2 w przypadku tworzenia częstotliwości różnicowej
-t\ ,trto nadmienić, że mieszanie falowe zachowuje informację o fazie i zmianach
' 1plitudy sygnału poddawanego konwersji. Tego typu konwertery oferują więc
'- -/(,lroczystość konwersji długości fali. Te konwertery pozwalają na równoczesną
'0 'I1\\'ersję wielu kanałów optycznych pracujących na różnych długościach fali.
: " \/\\'alają one na konwersję sygnału o przepływnościach przekraczających nawet
'I) Gbit/s. Zwykle tego typu konwertery dzieli się na te, które wykorzystują
." ..t\\"isko mieszania czterofalowego i te, które wykorzystują zjawisko tworzenia
_ / totliwości różnicowej (ang. DFG - DifJerence Frequency Generation) [2.22].
".\ pierwszym przypadku wykorzystywane jest opisane w rozdz. III zjawisko
: .'liniowe. Warto nadmienić, że jako nieliniowy ośrodek wykorzystuje się włókna
'.;. iatłowodowe jak i wzmacniacze półprzewodnikowe. Wykorzystanie wzmacniaczy
":...1(' nawet lepszą jakość konwersji pod względem przezroczystości procesu
,,"I1\\'ersji. Wadą tego rozwiązania jest zależność wyjściowej długości fali od
_: u ości fali sygnału pompującego i sygnału poddawanego konwersji. Dlatego też
_.,t niezbędna możliwość przestrajania długości fali sygnału pompy. Efektywność
'.' \I1\\'ersji jest tu bardzo niska (typowo bliska -20 dB). Z tego powodu uzyskiwany
_.,t niski poziom wartości stosunku sygnału do szumu. W celu jego polepszenia
"_ \\ymagane znaczne poziomy mocy sygnału pompującego.
: \) generacji częstotliwości różnicowej wykorzystuje się struktury periodyczne
,', : konane na LiNb0 3 lub AlGaAs. W takiej konstrukcji efektywność konwersji
_",t na poziomie ok. -17 dB.
32
Wybrane elementy składowe systemów WDM
Do podstawowych zalet tego rozwiązania należy zaliczyć brak czułości na stan
polaryzacji sygnału optycznego poddawanego konwersji. Do podstawowych wad
zaliczamy problem związany z dopasowaniem fazowym oddziaływujących ze sobą
sygnałów optycznych [2.22].
Konwertery wykorzystujące skrośną modulację
Konwertery tego rodzaju określa się również mianem konwerterów opartych na
optycznie kontrolowanych bramkach. W tego typu konwerterach wykorzystuje się
lasery lub wzmacniacze półprzewodnikowe. Można je podzielić na konwertery
wykorzystujące zjawisko skrośnej modulacji wzmocnienia i skrośnej modulacji fazy
[2.22]. W przypadku skrośnej modulacji wzmocnienia optyczny sygnał wejściowy
(sygnał użyteczny) zmodulowany amplitudowo moduluje wzmocnienie wzmacniacza
półprzewodnikowego w wyniku zachodzenia zjawiska nasycenia wzmocnienia (rys.
2.20). Do wzmacniacza doprowadzana jest również fala ciągła o długości fali, na której
ma znaleźć się sygnał użyteczny po konwersji. Fala ciągła jest modulowana przez
zachodzące w strukturze półprzewodnikowej zmiany wzmocnienia, dzięki czemu
informacja jest przenoszona z fali As na Ac. Należy zwrócić uwagę na to, że w wyniku
konwersji na wyjściu otrzymujemy sygnał będący odwróceniem sygnału wejściowego.
As
Ac
JLJL
Wzmacniacz Filtr
....
Ac półprzewodnikowy optyczny III"'"
F ala ciągła
Rys. 2.20. Konwersja wykorzystująca skrośną modulację wzmocnienia
Zaletą tego rozwiązania jest brak wpływu stanu polaryzacji sygnału wejściowego
na przebieg konwersji. Jego podstawową wadą jest mała wartość współczynnika
ekstynkcji sygnału szczególnie po konwersji w kierunku fal dłuższych (tj. przy
As < Ac). Poza tym sygnał po konwersji ma dość duży chirp częstotliwościowy.
Tego typu konstrukcja pozwala na konwersję sygnału o przepływnościach
dochodzących nawet do 100 Gbit/s. Współczynnik szumu tego typu konwertera
osiąga poziom około 8-10 dB.
W pewnym sensie na podobnej zasadzie pracuje inny konwerter określany mianem
konwertera laserowego. Jego działanie jest oparte na optycznej kontroli pracy
lasera jednoczęstotliwościowego. Zwykle wykorzystuje się lasery typu DBR.
Optyczny sygnał poddawany konwersji jest wprowadzany do lasera powodując
nasycenie jego wzmocnienia. Sygnał wejściowy jest zwykle na poziomie O -
10 dBm. Wykorzystując stan nasycania wzmocnienia możemy modulować natężenie
światła generowanego przez laser. Uzyskiwany na wyjściu lasera sygnał jest
odwrócony względem sygnału wejściowego. W zależności od potrzeb możemy
stosować lasery nieprzestrajalne jak i przestrajalne. Ten typ konwertera pozwala
na konwersję sygnału o przepływności dochodzącej do 10 Gbit/s [2.22].
2.4. Regeneratory 3R
33
Możemy się także spotkać z konstrukcjami, w których włączamy dwa lub więcej
wzmacniaczy półprzewodnikowych w ramiona interferometru Macha-Zehndera
(rys. 2.21).
Ac
Wzmacniacz
półprzewodnikowy
--
Wzmacniacz
półprzewodnikowy
As
JLJL
F ala ciągła
Ac
Rys. 2.21. Konwerter wykorzystujący interferometr Macha-Zehndera i wzmacniacze
półprzewodnikowe
Działanie tego typu konwertera opiera się na zjawisku skrośnej modulacji fazy
występującej we wzmacniaczu. Konwersja w tej konstrukcji polega na tym, że
sygnał wejściowy As zmienia (moduluje) poziom nośników w obszarze aktywnym
wzmacniacza, a przez to zmienia wartość jego współczynnika złamania, co
w konsekwencji prowadzi do modulacja fazy fali o długości Ac Dzięki zastosowaniu
interferometru Macha-Zehndera uzyskujemy na wyjściu konwertera modulację
natężenia światła i odwzorowanie na fali Ac sygnału z długości fali A.\,. Na wyjściu
otrzymujemy sygnał, który stanowi odwrócenie sygnału wejściowego. Spotykamy
również konstrukcje, w których zamiast interferometru Macha-Zehndera stosuje się
interferometr MicheIsona. Należy nadmienić, że konwertery oparte na interfero-
metrach pozwalają na uzyskanie dużej wartości stosunku sygnału do szumu
dochodzącej nawet do 30 dB. Konwertery tego typu stosuje się dla przepływności
kilkudziesięciu Gbit/s.
Można się także spotkać z konwerterami wykorzystującymi element nie]iniowy
NOLM (ang. Nonlinear Optical Loop Mirror). W tym przypadku konwersja jest
ograniczona tylko do sygnałów kodowanych kodem RZ (ang. Return to Zero).
2.4. Regeneratory 3R
Nazwa regeneratory 3R wynika z funkcji jakie te urządzenia pełnią. Regeneratory
tego typu muszą zapewnić: wzmocnienie sygnału użytkowego (ang. reamplification),
odtworzenie kształtu sygnału użytkowego (ang. reshaping) oraz odtwarzanie
sygnału zegarowego (ang. retiming) [2.23]. Tradycyjny regenerator jest urządzeniem
optoelektronicznym (rys. 2.22).
Regenerator optoelektroniczny składa się z dwóch niezależnych bloków. Pierwszy
blok jest odbiornikiem, w którym następuje zamiana sygnału optycznego na
elektryczny. W drugim bloku - bloku nadajnika sygnał ten moduluje laser. Zaletą
tego rozwiązania jest to, że możemy zastosować w miarę tanie i sprawdzone
34
Wybrane elementy składowe systemów WDM
Sygnał
przychodzący
Wzmacniacz
optyczny
C>
Wzmacniacz
Fotodioda elektryczny
Zegar Wydzielenie
sygnału zegarowego
ł
U kład
decyzyjny
Odbiornik
-------------------------------------------------------------------------- ------------.
Nadajnik
Żródło światła
ł Modulator
Wzmacniacz
optyczny
Sygnał po regeneracji
Rys. 2.22. Konstrukcja regeneratora optoelektronicznego
rozwiązania techniczne. Wadą jest brak przezroczystości; pojawia się konieczność
przejścia z sygnału optycznego na elektryczny, co stanowi spore ograniczenie
uwidaczniające się przy sygnałach o dużych przepływnościach [2.24].
Coraz częściej są stosowane regeneratory czysto optyczne. Schemat blokowy
takiego regeneratora pokazano na rys. 2.23.
Wzmacniacz
optyczny
Sygnał
przychodzący
Wydzielenie
sygnału zegarowego
Nieliniowa
bramka
Sygnał
po regeneracji
Rys. 2.23. Regenerator czysto optyczny
Różnica między rozwiązaniem optoelektronicznym a czysto optycznym polega na
tym, że w tym ostatnim operacja odtwarzania kształtu sygnału użytkowego
(reshaping) i sygnału zegarowego (retiming) odbywa się na drodze optycznej. Jak
widać na rys. 2.23 optyczny sygnał wejściowy jest rozdzielany i wprowadzany na
wejście wzmacniacza optycznego (ramię górne) i elementu odtwarzającego sygnał
zegara (ramię dolne). Po odtworzeniu sygnału zegarowego na wejście nieliniowej
bramki doprowadzany jest ciąg impulsów optycznych o przepływności sygnału
zegarowego. Nieliniowa bramka pełni tu rolę elementu realizującego funkcję
odtwarzania kształtu impulsów światła. Element ten jest sterowany przez sygnał
danych pochodzący z górnego ramienia. Na wyjściu bramki jest otrzymywany
sygnał o zwiększonej wartości stosunku sygnału do szumu i zdecydowanie
polepszonej charakterystyce jittera w porównaniu z sygnałem wejściowym [2.24].
Na rysunku 2.24 pokazano funkcję przenoszenia elementu pełniącego rolę
nieliniowej bramki.
2.4. Regeneratory 3R
35
Sygnał
wyjściowy
----- --
- --------
- ... ----- -
----
ł
ł
,
,
,
f
ł
ł
ł
ł
,
,
I
ł
ł
.
ł
,
,
I
,
ł
-........ .........
-----
......-......... .......................----...
ł
, . .
: : .
. ,
Sygnał
wejściowy
Rys. 2.24. Charakterystyka
przenoszenia elementu
nieliniowego
Na charakterystyce z rys. 2.24 można wyróżnić trzy zakresy. Dwa skrajne zakresy,
które odpowiadają wysokiemu i niskiemu poziomowi logicznemu sygnału są tak
dobrane by były możliwie jak najbardziej płaskie. Płaskość tych dwóch zakresów
zapewnia bardzo silne wytłumienie szumów występujących w sygnale wejściowym.
Nachylenie zakresu środkowego ma bezpośredni wpływ na wartość współczynnika
ekstynkcji sygnału wyjściowego [2.24].
Do najpopularniejszych rozwiązań regeneratorów czysto optycznych możemy
zaliczyć konstrukcje wykorzystujące: interferometry Macha-Zehndera, modulatory
elektroabsorbcyjne, wielosekcyjne lasery typu DFB. Regeneratory czysto optyczne
można również pogrupować biorąc jako kryterium rodzaj wykorzystywanego
zjawiska fizycznego. Mamy regeneratory wykorzystujące: samomodulację fazy,
skrośną modulację fazy, mieszanie czterofalowe (we wzmacniaczach półprzewod-
nikowych i w światłowodach).
Uzyskanie sygnału zegarowego na drodze czysto optycznej jest szczególnie istotne
dla sygnałów o przepływnościach ponad 40 Gbit/s. W ogólności odtworzenie
sygnału zegarowego ze strumienia danych o częstotliwości f sprowadza się do
ekstrakcji sygnału o niskim poziomie jittera i częstotliwości f Techniki odzys-
kiwania sygnału zegarowego są niczym innym jak filtracją sygnału o częstotliwości
f lub też jego harmonicznych. Do najpopularniejszych rozwiązań służących do
odzyskania sygnału zegarowego należy zaliczyć: technikę wykorzystującą zjawisko
"self-pulsating" w laserach typu DFB czy też w laserach z synchronizacją modową.
Pierwsze z rozwiązań jest przeznaczone dla przepłyności do ok. 40 Gbit/s a drugie
dla przepływności powyżej 40 Gbit/s. Innym stosowanym rozwiązaniem jest
wykorzystanie tzw. światłowodowej pętli fazowej (ang. fiber phase locked loop)
zawierającej optyczny element nieliniowy pełniący funkcję komparatora fazy.
36
Wybrane elementy składowe systemów WOM
Odtworzony sygnał zegara
B/n (optyczny) .. - --.... -.... -.... ł
Odtworzony sygnał zegara
B/n (elektryczny)
ł
"J
';1
'k }{t ::;':,.,ć;', ; ','P Q.#.', ''''' ", '
' " = -] -:7 .'
t - .... -' , 'J--, ':"--: ,,':' __ '{""., ' ,', ...-
,, ! , ' "' ,' .. :,: fiiI" ::.,,"',: . , ' ,, ' , ," - " " . , - ';:.;.';',,;,::i,--,!i2",';,::--:' ;- . "'. --.":' . 'l , " " ,, ' , ' ", .: , :" , ' , , '
"'fi ;,r. -. -.-:-c-___{= ::-:ff:j:=,::. : :;-::__-_ -. .:ł .
" 1:1 < \ [;¥J c............
"",' Filtr).,;" ł ' ",'..:"".",
,'.c, ' " ',' :"', , __ :'ł, , ", .',.- '--, . ':',:
',: , ' ' ;'-- ,:' ,; ":, ł" --',,' ',-- '
, " ;,>;.:: ': '_":".', ;:'ii ; , '
:->, ł ,',' "", "V w ' ,',"',. '," '
, ,',," t/' ,':, ';;....<}:,zma Ołacl,
", f <.: ' , , " ,',',,' "'j ,,',' ,
. ,"', ",',,' :"\'. ","," ,,'.' ',,:',:,} <;:,.', l," , '
/ ." ,',,' , ,", ,',",',,', łBramka
. ( .:;C; {:(-: I ::::; I : I ;;. I .. I . I ::. I I I1 < 1 . . .:9 ..<...................
" ,1;; ; ; ; ; ;;, ::J Bln
, ',,' , ,',' ""MlLD .
, , " ',<' A2
RZ
B
Al
Rys. 2.25. Schemat konstrukcji odtwarzającej sygnał zegara z wykorzystaniem
techniki synchronizacji modów
Na rysunku 2.25 przedstawiono schematyczną budowę konstrukcji przeznaczonej
do odtwarzania sygnału zegara z wykorzystaniem techniki synchronizacji modów
(ang. MLLD-OCR Mode Locked Laser Diode-Optical Clock Recovery) [2.25).
Do układu odtwarzania sygnału zegara (rys. 2.25) wprowadzany jest sygnał
w kodzie RZ o przepływności B na długości fali Al. Po przejściu przez cyrkulator
optyczny sygnał jest wprowadzany do lasera (blok MLLD). Z lasera wychodzi
sygnał o przepływności B/n na długości fali ).,2. Po przejściu przez filtr pasmowo-
-przepustowy, gdzie przepuszczany jest tylko sygnał o długości ).,2' sygnał trafia do
pętli regeneracyjnej złożonej z: fotodiody, izolatora optycznego, elementu wnoszą-
cego zmienne opóźnienie, filtru o częstotliwości środkowej równej B/n i wzmac-
niacza. Wzmacniacz jest bezpośrednio podłączony do MLLD (a dokładnie do jego
części będącej modulatorem elektro-absorpcyjnym). W przedstawionym układzie
dodatniemu sprzężeniu zwrotnemu jest poddawany tylko sygnał o częstotliwości
B/n [2.25].
2.5. Krotnice falowe
Krotnice falowe są urządzeniami, które mają za zadanie połączyć wiele sygnałów
optycznych o różnej długości fal L pochodzących z różnych torów wejściowych
w jeden, zbiorczy sygnał optyczny przenoszony pojedynczym światłowodem
(multiplekser), bądź rozdzielać sygnał optyczny będący zbiorem sygnałów o różnych
długościach fali między wiele torów wyjściowych, w taki sposób by w każdym
2.5. Krotnice falowe
37
A1 A2 A4
A1 A 2 A3 A4
A3
/
Krotnica
falowa
... .
Rys. 2.26. Schemat
działania krotnicy
falowej
z tych torów znalazł się tylko jeden sygnał o ściśle określonej długości fali
(dem ul tipI eks er). Na rysunku 2.26 pokazano schemat działania krotnicy falowej.
Krotnice falowe wykorzystują do rozdzielenia (demultipleksacji) czy też do
złożenia (multipleksacji) kanałów systemu WDM takie elementy optyczne jak:
filtry optyczne (interferencyjne), siatki dyfrakcyjne czy też szyk siatek falo-
wodowych. Na ogół urządzenia te mogą pełnić rolę multipleksera jak i demultip-
leksera, najczęściej przez odwrócenie biegu sygnału optycznego.
Filtry optyczne (interferencyjne) są zbudowane z cienkich przezroczystych płytek
z naniesionymi warstwami dielektrycznymi. Warstwy dielektryczne o dużym
i małym współczynniku załamania są nałożone na siebie na przemian. Każda
warstwa ma grubość odpowiadającą jednej czwartej lub połowie długości fali
światła [2.26]. Odpowiednie dobranie grubości tych warstw powoduje, że płytka
odbija światło o jednej długości fali przy równoczesnej transmisji światła o innej
długości fali. Na rysunku 2.27 przedstawiono układ złożony z dwóch płytek
z naniesionymi warstwami dielektrycznymi o różnych grubościach; co pozwala na
rozdział lub złożenie sygnałów optycznych o długości fali Al, Az, A3.
F 1
A3
Rys. 2.27. Filtrowanie optyczne
sygnałów o różnych długościach
fali; F 1 - filtr odbijający tylko falę
o długości A1, F 2 - filtr odbijający
tylko falę o długości A2
A2
W praktyce najpopularniejszym elementem stosowanym do multipleksacji i demul-
tipleksacji kanałów w systemach ze zwielokrotnieniem falowym jest siatka
dyfrakcyjna. Na rysunku 2.28 przedstawiono budowę klasycznej krotnicy falowej
z tak zwaną siatką dyfrakcyjną Littrowa.
38
Wybrane elementy składowe systemów WOM
Światłowód
wejściowy
Soczewki
---
---
Siatka dyfrakcyjna
---
I
Światłowody I
wyjściowe I
I
ł- --
---
--
I - - - - - - _
--
I- - _--
1 .---
Rys. 2.28. Krotnica falowa z siatką dyfrakcyjną Littrowa
Płaszczyzny czołowe światłowodu wejściowego i światłowodów wyjściowych są
/
ustawione w płaszczyźnie ogniskowej układu soczewek. Swiatło emitowane ze
światłowodu wejściowego zostaje skupione przez soczewki i pada na powierzchnię
siatki dyfrakcyjnej. Na siatce dyfrakcyjnej światło ulega odbiciu pod kątem
zależnym od długości fali. Następnie promienie światła o różnych długościach fali
przechodzą przez soczewkę i zostają skupione na płaszczyznach czołowych
światłowodów wyjściowych. Każdy z promieni światła o innej długości fali pada
na płaszczyznę czołową innego światłowodu. Dodatkowo, w celu zmniejszenia
strat powierzchnię siatki zwykle pokrywa się warstwą materiału o dużym
współczynniku odbicia. Przedstawiony element może pracować jako demultiplekser
i jako multiplekser; w tym drugim przypadku kierunek rozchodzenia się światła
jest odwrotny.
Kolejną kategorią krotnic falowych są urządzenia wykonane w technice optyki
zintegrowanej (technice planarnej). Do tej grupy możemy zaliczyć między innymi:
Szyk siatek
dyfrakcyjnych
FPR
FPR
Wejście
Wyjścia
Rys. 2.29. Schemat konstrukcji
krotnicy falowej wykorzystującej szyk
siatek falowodowych
-
2.5. Krotnice falowe
39
sprzęgacze selektywne falowe, krotnice z eliptycznymi reflektorami Bragga,
krotnice z interferometrami Macha-Zehndera, krotnice z siatkami dyfrakcyjnYlni
Bragga czy też szyk siatek falowodowych. Na rysunku 2.29 pokazano krotnicę
wykonaną w technice szyku siatek falowodowych. Tego typu konstrukcja składa
się dwóch sprzęgaczy, zwanych również obszarami wolnej propagacji (PPR) oraz
łączącego je szyku falowodów z równą różnicą długości między sąsiednimi
/
falowodami. Swiatło propagując się w wejściowym falowodzie podlega dyfrakcji
w pierwszym obszarze wolnej propagacji i jest sprzęgane do układu falowodów.
Szyk falowodów jest tak zaprojektowany, że różnica długości dróg optycznych
między sąsiednimi falowodami jest całkowitą wielokrotnością środkowej długości
fali demultipleksera. Dla środkowej długości fali sygnały w poszczególnych
falowodach dochodzą do wejścia sprzęgacza wyjściowego w tej samej fazie;
i w ten sposób rozkład pola sygnału z wyjścia sprzęgacza wejściowego jest
odtwarzany na wejściu sprzęgacza wyjściowego. Dla środkowej długości fali
sygnał jest ogniskowany na środku płaszczyzny obrazowej sprzęgacza wyjściowego.
Dla długości fali innych od środkowej następuje zmiana fazy. Z powodu stałej
różnicy długości między sąsiednimi falowodami ta różnica fazy zwiększa się
liniowo począwszy od wewnętrznych w kierunku zewnętrznych falowodów.
Powoduje to nachylenie frontu falowego sygnału na wyjściu. W konsekwencji
Tabela 2.6. Podstawowe zalety i wady krotnic falowych
Zalety Wady
Filtry optyczne 1 . Duża odporność na zmiany Kosz urządzenia jest
temperatury proporcjonalny do liczby
2. Dobre parametry optyczne, kanałów
tj. niski poziom przesłuchu
międzykanałowego, niski
poziom tłumienia sygnału,
mała wartość tłumienia
zależnego od polaryzacji
Siatki dyfrakcyjne 1. Bardzo dobra 1. Wymagana jest stabilizacja
charakterystyka filtracji temperaturowa
2. Dobre parametry optyczne, 2. Kosz urządzenia jest
tj. niski poziom przesłuchu proporcjonalny do liczby
międzykanałowego, niski kanałów
poziom tłumienia sygnału
Krotnice planarne 1. Względnie niski poziom 1 . Duża wartość tłumienia
tłumienia sygnału zależnego od polaryzacji
optycznego 2. Wymagana jest stabilizacja
2. Małe rozmiary temperaturowa
3. Możliwość integracji z innymi 3. Słaba charakterystyka filtracji
urządzeniami wykonanymi 4. Problem ze sprzężeniem
w technice planarnej optyki włóknistej
(światłowody) z planarną
(falowody planarne)
40
Wybrane elementy składowe systemów WDM
położenie ogniskowej dla danej długości fali jest przesunięte od położenia
centralnego. Właściwe umieszczenie falowodów wyjściowych w płaszczyźnie
obrazowej pozwala na przestrzenne odseparowanie poszczególnych długości fali
[2.28] .
W tabeli 2.6 zawarto ogólne porównanie przedstawionych powyżej rodzajów
krotnic falowych [2.29].
Może się zdarzyć, że na drodze propagującego się w sieci sygnału optycznego
występuje wiele elementów filtrujących. Często prowadzi to do niejednakowego
tłumienia sygnału w obrębie danego kanału optycznego. To zjawisko nosi nazwę
zafalowań tłumienia (ang. ripple). Na rysunku 2.30 zilustrowano to zjawisko.
Środkowa długość fali
Zafalowania t : - :
r r
Zakres długości fali
kanału optycznego
Rys. 2.30. Niejednakowe
tłumienie sygnału w obrębie
kanału optycznego
Tabela 2.7. Parametry krotnicy falowej dla systemów DWOM
Jedn. Wartość
Liczba kanałów 8 16
,
Srodkowa długość fali nm III okno optyczne; siatka ITU*
Pasmo nm 0,2
Płaskość charakterystyki dB 0,5
Straty wtrąceniowe dB Typ. 3,5 max. 4,5 Typ. 5,5 max. 6,5
Przesłuch między kanałami dB -25
Tłumienie zależne od polaryzacji dB 0,15
Reflektancja dB -45
Stabilność termiczna nm/oC 0,001
parametrów widmowych
Stabilność termiczna strat dB/oC 0,008
wtrąceniowych
* patrz rozdz. VIII
2.6. Optyczne krotnice transferowe
41
W tabeli 2.7 przedstawiono parametry przykładowej krotnicy falowej dla systemów
DWDM o odległości między kanałami na poziomie 100 GHz.
Z kolei w tabeli 2.8 pokazano parametry przykładowej krotnicy falowej dla
systemów CWDM o odległości między kanałami na poziomie 20 nm.
Tabela 2.8. Parametry krotnicy falowej dla systemów eWDM
Jedn. Wartość
Liczba kanałów 4 8
,
Srodkowa długość fali nm 1471, 1491, 1511, 1531, 1551, 1571, 1591,
1611
Pasmo nm 12
Płaskość charakterystyki dB 0,5
Straty wtrąceniowe dB Typ. 2,0 max.3,5 Typ. 3,5 max. 4,5
Przesłuch między kanałami dB -30
Tłumienie zależne od polaryzacji dB 0,15
Reflektancja dB -40
Stabilność termiczna nm/oC 0,002
parametrów widmowych
Stabilność termiczna strat dBrC 0,007
wtrąceniowych
2.6. Optyczne krotnice transferowe
Optyczne krotnice transferowe (ang. OADM - Optical Add Drop Multiplexer)
służą do odebrania, wydzielenia (ang. drop) w danym węźle sieci sygnału o danej
długości fali przy jednoczesnym zastąpieniu go innym sygnałem (ang. add), który
będzie dalej transmitowany w sieci [2.20]. Dodawany sygnał może mieć tę samą
długość fali co sygnał wydzielany; może również mieć inną długość fali. Na
rysunku 2.31 pokazano w sposób schematyczny działanie krotnicy transferowej.
Możemy się spotkać z rozwiązaniami opartymi na wykorzystaniu: szyku siatek
falowodowych, cyrkulatorów z siatkami Bragga oraz interferometrów Macha-
-Zehndera.
A1, Ak
Krotnica
transferowa
A2, ..., Ak, An
A1
An
Rys. 2.31. Schemat
działania optycznej
krotnicy transferowej
42
Wybrane elementy składowe systemów WDM
W przypadku pierwszego rozwiązania zasada pracy tego elementu jest oparta na
tych samych zasadach jak działanie krotnicy falowej zbudowanej na bazie tego
typu elementów [2.30].
Z kolei konstrukcję krotnicy transferowej wykorzystującej siatkę Bragga pokazano
na rys. 2.32.
Cyrkulator
Światłowodowa odbiciowa
siatka Bragga
Cyrkulator
Sygnał wyjściowy
Sygnał wejściowy
?
c:
Ak
Ak
Ak Ak
Rys. 2.32. Krotnica transferowa wykorzystująca cyrkulatory i siatkę Bragga
W tej konstrukcji wielofalowy sygnał WDM jest przez cyrkulator przekierowywany
na siatkę Bragga. Siatka jest zoptymalizowana pod kątem odbijania ściśle określonej
długości fali. Sygnał o tej długości fali jest po odbiciu kierowany na cyrkulator
a dalej do portu drop (jest to operacja wydzielenia kanału). Pozostały sygnał WDM
przechodzi przez siatkę i dociera do drugiego cyrkulatora, gdzie jest kierowany do
wyjścia krotnicy. Operacja dodawania kanału (o tej samej długości fali co kanał
wydzielony) przebiega w ten sposób, że sygnał z portu add jest kierowany przez
cyrkulator na siatkę Bragga, od której się odbija i jest kierowany na wyjście krotnicy.
Drop
Wejście
Wyjście
A add A A
1 , 2,..., n
') add
/\,1 .
Add
I!: ,s ..... ...
"
Sygnał
elektryczny
A1, A2,...,/''"n
Rys. 2.33. Krotnica transferowa
wykorzystująca szereg interferometrów
Macha-Zehndera
2.7. Przełącznice optyczne
43
Na rysunku 2.33 przedstawiono optyczną krotnicę wykorzystującą interferometry
Macha-Zehndera. W tej konstrukcji w wyniku podgrzewania fragmentu falowodu
(efekt termooptyczny) następuje przełączenie sygnału o danej długości z górnego
ramienia do dolnego (add) i równoczesne wydzielenie z sygnału WDM kanału o tej
samej długości fali do ramienia górnego (drop).
Optyczne krotnice transferowe można podzielić na urządzenia, w których wybór
przełączalnych długości fal jest stały (nieprzestrajalne) i urządzenia, w których
można zmieniać przełączane długości fali (przestrajalne).
Przestrajalna może być konstrukcja z rys. 2.32. Znlianę jej parametrów można
uzyskać przez odkształcenie mechaniczne siatki Bragga.
W tabeli 2.9 pokazano parametry przykładowej optycznej krotnicy transferowej.
Tabela 2.9. Typowe wartości podstawowych parametrów optycznej krotnicy
transferowej
Jedn. Wartość
,
Srodkowa długość fali nm 1528-1640 1 )
Odległość między kanałami GHz 100
Straty wtrąceniowe dB < 1,5
Przesłuch związany z wprowadzaniem kanału dB < -15
Przesłuch związany z wyprowadzaniem dB < -25
kanału
Tłumienie fali odbitej dB > 45
Tłumienie zależne od polaryzacji dB < 0,2
1) zgodnie z siatką rozmieszczenia kanałów WDM podaną w zaleceniach ITU
2.7. Przełącznice optyczne
Przełącznice optyczne (ang. OXC - Optical Cross Connector) są elementami
pozwalającymi na realizację na poziomie optycznym procesu rekonfiguracji sieci.
Przełącznice optyczne można podzielić na wykonane w technologii planarnej i na
wykorzystujące technikę prowadzenia strumienia światła w wolnej przestrzeni
[2.31]. Biorąc pod uwagę mechanizm wykorzystywany w procesie przełączania
możemy podzielić przełącznice na te, które wykorzystują zjawisko: mechanoop-
tyczne, elektrooptyczne i termooptyczne [2.31].
Do najpopularniejszych konstrukcji przełącznic optycznych można zaliczyć
konstrukcje wykorzystujące: termooptyczno-pęcherzykowe elementy przełączające
[2.32], ciekłe kryształy oraz systemy typu MEMS [2.31].
44
Wybrane elementy składowe systemów WDM
a
Sygnał 2
b
/
Sygnał 1
Sygnał 1
/
Sygnał 2
Element
. przełączający .
Pęcherzyk
\
\
\
\
\
\
\
Sygnał 2
/
Element
przełączający
/
/
/'
\\//// /
'. /'
\/ \/
Światłowody Sygnał 2 Sygnał 1 Światłowody Sygnał 1
Rys. 2.34. Zasada działania pojedynczego przełącznika pęcherzykowego
/
"
/
/
/
/
Na rysunku 2.34 przedstawiono pojedynczy przełącznik pęcherzykowy.
Zasada pracy tego typu elementu opiera się na zjawisku termooptycznym i polega
na zmianie temperatury obszaru wypełnionego substancją, której właściwości
optyczne (wartość współczynnika załamania) zależą silnie od temperatury.
W przypadku braku ogrzewania światło przechodzi przez element przełączający,
tak jak to pokazano na rys. 2.34a. Z kolei w momencie podgrzania następuje
zmiana współczynnika załamania wybranego obszaru i następuje odbicie podającego
promienia światła. Tego typu konstrukcja umożliwia realizację przełączników
optycznych o wymiarach 32 x 32.
W tabeli 2.10 pokazano podstawowe parametry tej konstrukcji.
Tabela 2.10. Podstawowe parametry przełącznicy termooptyczno-pęcherzykowej
Jedn. Wartość
Zakres długości fali nm 1270-1650
Tłumienie dB 2,5-7,5
Przesłuch między kanałami dB < -50
Czas przełączania ms < 10
Do przełączania sygnału optycznego można także wykorzystać dwójłomność
ciekłego kryształu. Za pomocą ciekłego kryształu możemy zmieniać stan polaryzacji
przełączanego sygnału, który dalej przechodzi przez materiał dwójłomny (np.
kalcyt). W wyniku zmiany polaryzacji sygnału optycznego jest zmieniane położenie
promienia nadzwyczajnego na wyjściu elementu dwójłomnego. Tego typu kon-
strukcja umożliwia tworzenie przełącznic optycznych o wymiarach 64 x 64. Straty
mocy optycznej są na poziomie 9 - 10 dB [2.20].
2.7. Przełącznice optyczne
45
Jednak najbardziej dojrzałą pod względem technicznym konstrukcję stanowią
przełącznice mikroelektromechaniczne zwane przełącznicami typu MEMS (ang.
MicroElectroMechanical Systems). Systemy MEMS są zintegrowanymi urządze-
niami o wielkości od kilku do kilkuset mikrometrów, mogącymi przetwarzać różne
wielkości mechaniczne na wielkości elektryczne i odwrotnie. Struktury MEMS są
zwykle wytwarzane w technologii krzemowej.
Możemy spotkać się z konstrukcjami działającymi w dwóch wymiarach (są to tzw.
przełącznice 2D) jak i w trzech wymiarach (przełącznice 3D). Na rysunku 2.35
pokazano przełącznicę 2D.
Światłowody
"........., Matryca mikroluster
"
.............
"'" (n,..... <:\.. ("" <>..... <............ , , (.......... .(",
"' 1 ' .....
J "\.,'\. "') " ., ", '....... ..... '
" ''-'') ........... '",> ...... "\-
V .....'-' ' ../ V '..,r
(....." <. .......... ..., ,.... . '..... <'('..... ,'..........
' , \'....... """'... ............
J " " .......,) "......."..... '-........> """v ..............>
"v"" ",-, ..... ,l ..... )
V
<:-" /" '" n <>- t', ,.,r........
<' .....
", '-, "< .... '... '-" '........ ...... "
............) , '-, '..... '-,
....../ ....../.. ........l ./
,". (........ fA... <.."..... ,"'- ,A.., ('.......
r . . \. " ....., '.... i, ..... " '- ..........:.\
'"' ...., "'-.......... ' '. ..... ....... ''<>
..... '>
......./ ,../ V .....,.r- ......ł F "
<- > '....... ('....... ...""..... ('....... (...., (.............
r ł <. ..... '-0... ...... ....... '...... ....... " " .....
"0 " ..... "'....> ..... .,
......._.1 ......... , )
V ....,.
(.,......... ('--, ", {'..... ,...... /', <.-""'"
<.. ' " " '....... ".....
, ..... "
> .....J V .....J. .....l.
'r
<.......... /...., {', ("........ , , <: , (" ,......
1::: , , ) <'-" '-'...... ".. ':.. "\. ....... " .....
'-'<> ...... ) ",,) ..... " .. ..... ....... .........> ....,,)
........,.. .....,I V
/....... .;'......., ....... ("" " " ... /......... <' '.......,
£ ,
....,.... " .....,'.,;. "', ........
e- A.1 4 -" 4 4 1 " ..... ..... ..... ') " ..... ''', 'ł)
..... , .., } .. .........,.,'> V
..../ ...." , ....J V V
Rys. 2.35. Konstrukcja
przełącznicy MEMS 20
W przypadku konstrukcji 2D połączenie sygnału z danego portu wejściowego i do
określonego portu wyjściowego jest wykonywane przez podniesienie odpowiedniego
mikrolustra. W tabeli 2.11 podano typowe parametry przełącznic typu MEMS
o wymiarze 32 x 32.
Tabela 2.11. Podstawowe parametry przełącznic typu MEMS
Jedn. Wartość
20 3D
Tłumienie dB 12 6
Przesłuch między kanałami dB < -70
Straty zależne od polaryzacji dB 0,11
Czas przełączania rzędu ns rzędu ms
46 Wybrane elementy składowe systemów WDM
2.8. Kompensatory dyspersji chromatycznej
Jedną z najpopularniejszych metod kompensacji dyspersji chromatycznej jest
zastosowanie światłowodów o dużym (co do wartości bezwzględnej), ale o ujem-
nym, współczynniku dyspersji chromatycznej. Są to światłowody kompensujące
dyspersję chromatyczną typu DCF (ang. Dispersion Compensating Fiber). W tego
typu kompensacji dyspersji chromatycznej wykorzystywany jest fakt, że w zakresie
tzw. dyspersji anomalnej (D > O) składowe widmowe o większych długościach
fali poruszają się wolniej niż składowe o mniejszych długościach fali. W zakresie
dyspersji normalnej D < O jest na odwrót. Powoduje to, że przy spełnieniu
wymagania: DILI - DkLk == O, gdzie Dl i LI to kolejno współczynnik dyspersji
chromatycznej i długość światłowodu roboczego, a Dk i Lk to odpowiednio wartość
bezwzględna współczynnika dyspersji chromatycznej i długość światłowodu
kompensującego dyspersję, otrzymujemy na wyjściu impuls nieposzerzony.
Innym rozwiązaniem jest zastosowanie siatek Bragga (ang. chirped fiber Bragg
gratings) (rys. 2.36).
.-- Miejsce odbicia 1... 2
ro
O)
O)
ro
L-
CD
ro
.....
ro
CI)
ro
o
.'0
o
o
-
.....
ro
.-- Miejsce odbicia Al
-CI)
Al
A2
Al A2
Impulsy
wejściowe
Impulsy
wyjściowe
Rys. 2.36. Kompensacja
dyspersji chromatycznej
z wykorzystaniem siatki Bragga
Cyrkulator
W tego typu konstrukcji kompensacja dyspersji odbywa się dzięki temu, że różne
długości fali odbijają się w różnych miejscach światłowodowej siatki Bragga.
Poprzez odpowiedni dobór okresu siatki możemy doprowadzić do skompensowania
poszerzenia impulsu spowodowanego przez dyspersję chromatyczną [2.20].
--
2.8. Kompensatory dyspersji chromatycznej
47
Bardzo interesujące możliwości związane z kompensacją dyspersji chromatycznej
/
dają światłowody fotoniczne. Swiatłowody fotoniczne (ang. PCF - Photonic
Crystal Fiber, ASMF - Air-silica Microstructured optical Fiber, HOF - Hole)'
Optical Fiber) umożliwiają w prosty sposób kształtowanie charakterystyki
dyspersji chromatycznej w funkcji długości fali [2.33]. Takie możliwości
czynią ze światłowodów fotonicznych bardzo atrakcyjne narzędzie do roz-
wiązania problemu kompensacji dyspersji chromatycznej w systemach ze
zwielokrotnieniem falowym o dużych przepływnościach w kanałach. Na rysunku
2.37 przedstawiono przekrój poprzeczny przykładowego światłowodu foto-
.
nlcznego.
Przerwa
powietrzna
'"
\ -
'\",,-, ,
\ "
"-
"
\ "'--,
'"
\
\
\
Rdzeń
Rys. 2.37. Przekrój poprzeczny
przykładowego światłowodu
fotonicznego
W przypadku światłowodów fotonicznych możemy wpływać na przebieg charak-
terystyki dyspersji przez zmianę: rozmiaru rdzenia, rozmiaru przerw powietrznych,
odległości między przerwami powietrznymi, odległości przerw powietrznych od
rdzenia czy też liczby przerw powietrznych rozmieszczonych wokół rdzenia [2.34].
Zastosowanie powyższych rozwiązań pozwala na realizację określonej i stałej co
do wartości kompensacji dyspersji; co rozwiązuje problem w przypadku kompensacji
systemów jednokanałowych, w których wartość dyspersji nie ulega zmianie
w czasie. Jednakże okazuje się, że w wielu przypadkach tego typu kompensacja
jest nieskuteczna. Wielokrotnie okazuje się niezbędne zastosowanie kompensatorów
przestrajanych. Wynika to z faktu, że wraz ze wzrostem przepływności poprawna
kompensacja wymaga bardzo dokładnego dopasowania parametrów kompensatora.
Dla systemów o przepływnościach 40 Gbit/s dopuszczalny margines niedokładnego
określenia wartości dyspersji jest 16 razy mniejszy niż dla systemu 10 Gbit/s. Poza
tym w systemach dużej przepływności ( > 10 Gbit/s) i dalekiego zasięgu zaczyna
uwidaczniać swój wpływ zmiana dyspersji chromatycznej powodowana np. przez
zmianę temperatury. Warto wspomnieć, że dla światłowodów stosowanych
w telekomunikacji temperaturowa zmiana długości fali, przy której występuje
zerowa wartość dyspersji chromatycznej wynosi ok. 0,03nmJ°C.
48
Wybrane elementy składowe systemów WDM
Należy również zwrócić uwagę na konieczność uwzględnienia poprawki co do
wartości dyspersji chromatycznej w przypadku zmiany długości fali na jakiej
pracuje laser, czy też na ewentualną zmianę długości traktu światłowodowego
spowodowaną przez np. rekonfigurację sieci.
Do najpopularniejszych rozwiązań stosowanych w przestrajalnych kompensatorach
dyspersji chromatycznej należy zaliczyć siatki Bragga oraz matryce fazowe.
Przestrajalność kompensatora dyspersji chromatycznej opartego na siatkach Bragga
realizujemy przez odkształcenie mechaniczne siatki. W większości konstrukcji jest
to wykonywane za pomocą elementów piezoelektrycznych. Jedno z najlepszych
rozwiązań tego typu umożliwia zmianę współczynnika dyspersji chromatycznej od
940 ps/nm (przy maksymalnym odkształceniu) do 8770 ps/nm (bez odkształcenia).
Czas przestrajania wynosi około 20 ms [2.35]. Można również odkształcać
światłowód z siatką Bragga przez jego zginanie [2.35]. Tego typu konstrukcja
pozwala na zmianę współczynnika dyspersji chromatycznej w granicach od -791
ps/nm do 932 ps/nm [2.35].
Innym sposobem przestrajania tego typu kompensatorów jest podnoszenie tem-
peratury odcinka światłowodu, na którym występuje siatka. Wzrost temperatury
powoduje modyfikacje właściwości siatki - jego przestrojenie w kierunku dłuższych
fal. Przez kontrolowaną zmianę temperatury możemy uzyskać przestrajalną
konstrukcję. W pracy [2.35 J przedstawiono tego typu kompensator dający możliwość
zmiany współczynnika dyspersji chromatycznej w zakresie od -300 do -1350 ps/nm.
Nowym rozwiązaniem sąjuż wspomniane matryce fazowe. Zasadę pracy działającej
w wolnej przestrzeni wirtualnej matrycy fazowej (ang. VIPA - Virtually /lnaged
Phase Array) pokazano na rys. 2.38.
Płytka
szklana
Krótsze
fale
Soczewki Dłuższe
fale
Rys. 2.38. Konstrukcja kompensatora wykorzystująca wirtualną matrycę fazową
Cyrkulator
/
Swiatło wchodzące do płytki szklanej ulega w niej wielokrotnemu odbiciu.
W wyniku tego wiązka światła jest zobrazowana w kilku miejscach, przy czym
otrzymany rozkład przestrzenny jest zależny od długości fali. Następnie wiązka
światła jest ogniskowana na lustrze i po odbiciu powraca tą samą drogą, co
powoduje podwojenie względnego opóźnienia dla każdej z długości fali. Opóźnienie
jest tu zależne od długości fali. Dyspersja może być przestrajalna na wiele
sposobów. Względne opóźnienie może być zmieniane przez zmianę położenia lustra
-
2.8. Kompensatory dyspersji chromatycznej
49
i soczewki ogniskującej światło na lustrze. Drugi sposób to zmiana profilu lustra.
Często wykorzystywana jest konstrukcja lustra, której krzywizna może ulegać
zmianie w kierunku prostopadłym do kierunku propagacji światła. Taka zmiana
powoduje bezpośrednią zmianę wartości dyspersji chromatycznej kompensatora
[2.36].
W tabeli 2.12 pokazano porównanie parametrów przestrajalnych kompensatorów,
których konstrukcję oparto na siatce Bragga i matrycy fazowej.
Tabela 2.12. Porównanie kompensatorów wykorzystujących siatkę Bragga
i matrycę fazową
Siatka Bragga VIPA
(sterowanie termiczne)
Rozdzielczość przestrajania Odpowiednia Odpowiednia
r
Szybkość przestrajania Mała Srednia
Zakres przestrajania Duży Duży
Dyspersja Dodatnia i/lub ujemna Dodatnia i ujemna
Straty wtrąceniowe Małe Duże
Szerokość pasma Duża Mała
Przyjęcie jednej, określonej wartości współczynnika dyspersji chromatycznej
elementu kompensującego dyspersję chromatyczną gwarantuje poprawną kompen-
sację tylko na jednej długości fali. W przypadku systemów WDM prowadzi to do
sytuacji, że właściwa kompensacja ma miejsce tylko dla jednego kanału, a dla
pozostałych jest ona niepełna. Problem tkwi w nachyleniu charakterystyki dyspersji.
Takie nachylenie dla światłowodu standardowego wynosi typowo 0,092 ps/nm 2 .
. km, a dla światłowodu typu DCF -0,02 ps/nm 2 . km. W wyniku niedopasowania
pojawia się tzw. dyspersja resztkowa (ang. residual dispersion). Rozwiązaniem
pozwalającym na eliminację pojawiającej się dyspersji resztkowej jest zastosowanie
elementu kompensującego dyspersję z odpowiednio dopasowanym nachyleniem
charakterystyki dyspersji (rys. 2.39). Samą dyspersję resztkową można skompen-
sować stosując kompensatory nachylenia charakterystyki dyspersji. Tego typu
elementy umieszcza się na zakończeniu danej sekcji toru światłowodowego lub na
jego końcu. W pierwszym rozwiązaniu doprowadzamy do pełnej kompensacji
dyspersji na końcu każdej sekcji (rys. 2.39a). W drugim przypadku kompensacja
dyspersji odbywa się klasycznie jak dla jednego kanału, a dyspersja resztkowa jest
eliminowana za pomocą jednego elementu kompensującego nachylenie dyspersji
na samym końcu traktu światłowodowego (rys. 2.39b). Jako elementy kompensujące
dla systemów WDM można zastosować światłowody typu RDF (ang. Reverse-
-Dispersion Fiber) [2.37]. Te włókna charakteryzują się tym, że przebieg ich
charakterystyki dyspersji chromatycznej jest lustrzanym odbiciem przebiegu dla
światłowodów standardowych.
50
Wybrane elementy składowe systemów WDM
aJ) D
. '
. ,
. .
,; :
,.\. .
,# ':
, , .
, , :' " :
, ., ,'t:
, :, ' ł
, , , .,
" ' ., £' ,
, . ,: , -
A ,.... ,:,' ,
1, :, ,:,,' ,
..::(1 \ \, ...... /1 \ \/ /"' \ \,
../ Ą2J \ \../ / ! \ / i \,
,'/ ..., Ć# / : / : '- '
,,/ ,......1:3 l' 1 ,....../r, /.., " 'ł
,,' ,...." : ': "" .. : , / .. : ,: "
<# : J., : ..: -___ "
a Światłowód
Światłowód
SCM
SCM
ro
. ......
en
L-
O>
c-
en
>-
o
Ił
, ,
, "
, :,
, : ,
A1 " /\ "
, ,
, A: : ,
, : \
' , ,
/ ' 1... 2 :,
I : ,
" .......L \ "
, .. ..
-łłł< . ,
"y"".. A3 \,
" "".. : "1
.. .
,
,.
,
,
, "
I :,
, ,
, A'
, , '
,' / : \ "
, . ,
, ,
, / :',
, ,
, ..:t \
V ' ../ : \ '
, ,.
, : ,
, # :
';' :
b
Światłowód
Światłowód
fi)
an
DCM
DCM
J I
ro
. ......
en
L-
O>
c-
en
>-
O
,. ..
V'
Światłowód
SCM
,:
,
,
, :.
,,' A"
" / ' ',
, ' \
' : ,
Y , :'
, , ,
" :
V .. ' \ .
, . I'
, <# : :
I"" :,:
#. "".. '" :
#- :
Odległość
Światłowód
, ..
, ""
\....
, .
Odległość
Rys. 2.39. Eliminacja dyspersji resztkowej; SCM (ang. Slope Compensation Module)
- moduł kompensacji nachylenia charakterystyki dyspersji, DCM (ang, Dispersion
Compensation Module) - moduł kompensacji dyspersji
Ciekawym rozwiązaniem kompensacji dyspersji chromatycznej dla systemów
WDM jest połączenie możliwości kompensujących oferowanych przez świa-
tłowody typu DCF i siatki Bragga (rys. 2.40). W tym rozwiązaniu wszystkie
kanały WDM kierowane są przez cyrkulator do pętli światłowodu DCF i później
do serii siatek Bragga utworzonych w światłowodzie DCF (rys. 2.40). Różne
kanały WDM odbijają się od siatki w różnym miejscu (odległości). W związku
z tym różne kanały propagują się przez inną długość światłowodu DCF i pod-
dawane są w związku z tym innej kompensacji dyspersji. Położenie siatek
Bragga wzdłuż DCF decyduje jaką wartość nachylenia charakterystyki dyspersji
kompensujemy.
2.9. Kompensatory dyspersji polaryzacyjnej
51
Światłowodowa siatka Bragga nr 2
DCF
Światłowodowa siatka Bragga nr 1
DCF
Impulsy
wejściowe
Impulsy
wyjściowe
Rys. 2.40. Schemat
kompensatora
wykorzystującego siatki Bragga
i światłowody typu DCF
Cyrkulator
Jako kolejną technikę kompensacji dyspersji chromatycznej można wymienić
technikę sprzężonej fazy. Polega ona na tym, że w połowie długości linii
optotelekomunikacyjnej widmo przesyłanego sygnału jest odwracane, tzn. staje się
lustrzanym odbiciem widma wejściowego względem pewnej długości fali. Do
realizacji inwersji widma można zastosować zjawisko mieszania czterofalowego
występujące w pompowanych optycznie ośrodkach nieliniowych. Po dokonaniu
inwersji widma, ulega odwróceniu długość fali światła wzdłuż impulsu. Podczas
następującej dalej propagacji w drugiej połowie toru światłowodowego, o tej samej
charakterystyce dyspersyjnej co pierwszy, dyspersja chromatyczna światłowodu
przywraca kształt nadanego impulsu [2.38].
W publikacji [2.39] przedstawiono wykorzystanie do kompensacji dyspersji
chromatycznej połączonych kaskadowo asymetrycznych interferometrów Macha-
-Zehndera. Kaskadowe połączenie tych interferometrów charakteryzuje się prze-
strajalną charakterystyką dyspersji. Jej przestrajanie było realizowane przez
termooptyczne sterowanie fazą.
2.9. Kompensatory dyspersji polaryzacyjnej
Dla przepływności rzędu 10 Gbit/s stosowanie kompensatorów dyspersji polaryza-
cyjnej PMD (ang. Polarization Mode Dispersion) jest sprawą dyskusyjną; koszt
regeneratorów dla tej przepływności jest bowiem porównywalny z kosztem
52
Wybrane elementy składowe systemów WDM
kompensatorów, a często nawet i niższy. Jednak dla przepływności wyższych np.
40 Gbit/s sprawa ta wygląda już inaczej. Dla takich przepływności należy
uwzględnić konieczność stosowania kompensatorów dyspersji polaryzacyjnej [2.40].
Metody kompensacji dyspersji polaryzacyjnej można podzielić na optyczne
i elektryczne. W dalszej części omówiono tylko rozwiązania optyczne. Inny
podział polega na rozróżnieniu kompensatorów dyspersji polaryzacyjnej pierwszego
rzędu i drugiego rzędu. Postawowym elementem kompensatora jest sterowany
element wpływający na właściwości polaryzacyjne transmitowanego we włóknie
sygnału optycznego. Element ten jest sterowany zgodnie z przyjętym algorytmem
a
Sygnał .
wejściowy
b
Sygnał .
wejściowy
c
Sygnał
wejściowy
- PC .Stałe DGO
.,...
Kontroler elektryczny I Monitor I
DOP
. Sygnał
wyjściowy
PC - ..Słałe PC - Stałe
OGD OGO
.. ..
l ., r
Kontroler elektryczny ..... Monitor
.....- DOP
. Sygnał
wyjściowy
.
..
- PC ZmienneDGO
.. ._ - _. 0-. _ .
.,Ir
Kontroler elektryczny ..... Monitor
..... DOP
. Sygnał
wyjściowy
Rys. 2.41. Konstrukcje kompensatorów dyspersji polaryzacyjnej opartych
na monitorowaniu stopnia spolaryzowania światła; PC (ang. Polarization Controler)
- kontroler polaryzacji, DOP (ang. Degree Ot Polarization) - stopień spolaryzowania
światła
.........
2.9. Kompensatory dyspersji polaryzacyjnej
53
przez sygnał sprzężenia zwrotnego. W praktyce wykorzystujemy kontroler pola-
ryzacji do zmiany stanu polaryzacji sygnału optycznego i optymalizujemy jego
ustawienie względem elementu wnoszącego różnicowe opóźnienie grupowe (ang.
DGD - Differential Group Delay). Zadaniem tego elementu jest korekta po-
szerzenia impulsu wywołana przez dyspersję polaryzacyjną. W pętli sprzężenia
zwrotnego występuje monitor dyspersji polaryzacyjnej, którego zadaniem jest
ocena POZiOlllU występującej dyspersji polaryzacyjnej i element, którego zada-
niem jest właściwe skorelowanie nastaw kontrolera polaryzacji z wartością
dyspersji polaryzacyjnej. Do oceny dyspersji polaryzacyjnej można wykorzys-
tywać np. pomiar rozwartości wykresu oczkowego, pomiar elementowej stopy
błędu czy też analizę stopnia spolaryzowania światła. Podstawowym problemem
przy tego typu konstrukcjach jest zastosowanie właściwego, optymalnego algoryt-
mu sterującego kontrolerem polaryzacji. Od tego algorytmu zależy jakość pracy
kompensatora. Jeśli chodzi o element wnoszący różnicowe opóźnienie grupowe,
to można się spotkać z konstrukcjami wykorzystującymi element przestrajalny
jak i element o stałej wartości różnicowego opóźnienia grupowego. Może to być
pojedynczy element (np. odcinek światłowodu utrzymujący polaryzację) lub też
układ wielu elementów dwójłomnych, które są niezależnie sterowane. Ta ostatnia
konstrukcja pozwala na kompensację dyspersji polaryzacyjnej wyższego rzędu
[2.41] .
Na rysunku 2.41 pokazano konstrukcje oparte na monitorowaniu stanu polaryzacji
światła. W przypadku konstrukcji z rys. 2.41a mamy do czynienia z klasyczną
konstrukcją, gdzie występuje tylko jeden element wnoszący stałe różnicowe
opóźnienie grupowe [2.42]. W konstrukcji z rys. 2.41 b mamy układ dwustanowy ,
gdzie osobno kontrolowane są dwa bloki złożone z kontrolera polaryzacji i elementu
wnoszącego stałe różnicowe opóźnienie grupowe. W konstrukcji z rys. 2.41c
mamy do czynienia z przestrajalnym elementem wnoszącym różnicowe opóźnienie
grupowe. W pracy [2.43] porównano przedstawione konstrukcje. Wyniki wykazały,
że dyspersja polaryzacyjna jest najlepiej kompensowana przez konstrukcję z rys.
2.41c, a najgorzej przez konstrukcję z rys. 2.41a.
Można spotkać się również z konstrukcjami kompensatorów rozłożonych, w któ-
rych mamy do czynienia ze stopniową minimalizacją kumulującej się w po-
szczególnych odcinkach światłowodu dyspersji polaryzacyjnej [2.44]. Na rysunku
2.42 pokazano przykład takiego systemu. W przypadku systemów WDM kom-
pensację dyspersji polaryzacyjnej realizuje się podobnie jak dla systemu jedno-
kanałowego. Kontroler polaryzacji zmienia stan polaryzacji światła równocześnie
dla wszystkich kanałów.
-+
.
Sygnał
wyjściowy
Rys. 2.42. System z rozłożoną kompensacją dyspersji polaryzacyjnej
54
Wybrane elementy składowe systemów WDM
M
U
X
Stał$'DGf)
;' $. ' 000 :';;':"::'",,"""'"
.. . .
: .: =.: . "" .' .. :'.; . :::. : .
D
M
U
X
Rys. 2.43. Schemat działania kompensacji dyspersji polaryzacyjnej w systemie WDM
Dla konstrukcji pokazanej na rys. 2.43 [2.44] na wejście monitora DOP była
wprowadzana część sygnału WDM (bez rozdzielania długości fali). W tym
rozwiązaniu nie monitorujemy poszczególnych kanałów, to rozwiązanie polepsza
jakość sygnałów w odniesieniu do naj silniej degenerowanego kanału WDM.
Innym typem kompensatora dyspersji polaryzacyjnej jest tzw. kompensator impulsu.
W tego typu konstrukcji nie ma pętli sprzężenia zwrotnego. Kompensator składa
się z elementu dyspersyjnego i modulatora fazy. W pracy [2.45] przedstawiono
szerokopasmowy kompensator dyspersji polaryzacyjnej pierwszego i drugiego
rzędu wykorzystujący właśnie to rozwiązanie. Na rysunku 2.44 pokazano schemat
budowy takiego kompensatora.
Polarymetr
szerokopasmowy
--------------------------------------------------,
Sygnał
wejściowy
Pomiar czasu
trwania impulsu
Soczewka
I
I
I
I
I
rm-mmnmM;;t;; --m-m-si tk ---l ..
LCM dyfrakcyjna! :- . - . - . - . - . - . - . - . - i
n n I : ,.' k - - - -. i Jednostka sterująca
utv, komputer I
I . I
,Soczewka! _ _ . _ . _ . _ . _ . _ . _ . _ . ....:
n_n _nnnnn_ _ _n ____n_Un______________. .
rmu------n-----mM ; mmnnsi tk;nnn
LCM dyfrakcyjna
EEj ....... ........ I
..:.....:. -. .... "''-"'. :
- . . .".
.. - .
.. . .
. .." . -'. -." .
Potafy ::.. ..'
. 0'- . .
.... o", .
.- ...... . .
. "." .."
..- .' ." .
.' .
.. .
-. :... .: .
...._....._____ ____________ ________....._.._..___________ _______..J
Element kształtujący SDP impulsu
Element kształtujący taze impulsu
.
I
I
I
I
I
I
I
I
I
I I
ł_____________________________________________________
Rys. 2.44. Kompensator szerokopasmowy; LCM (ang. Liquid Crystal Module) - moduł
ciekłokrystaliczny, SOP (ang. State Ot Polarization) - stan polaryzacji światła
Sygnał optyczny poddawany kompensacji jest analizowany pod kątem stanu
polaryzacji światła w funkcji długości fali oraz określenia poszerzenia impulsu
w dziedzinie czasu. Następnie jest przeprowadzana korekta stanu polaryzacji
sygnału w funkcji długości fali za pomocą tzw. elementu kształtującego stan
polaryzacji impuls (ang. SOP pulse shaper).
.
,
2.10. Swiatłowody telekomunikacyjne
55
a
b
D.Dt
D.Dt
:
.
.
: I - ... OIIPIłtIMI .... I
: -... Palle ClIt.' ..,
. ......
. .....
. . . . . . .
O 001 .......;..... ..... ...... . ... .... . ;...... .......... . .. ..... .........
ł o...:.:
. ......
. .
. .
. .
.. ::: . .
S 0.001 ....... ...... .. ........ ...... ..... .n;........ .. ......;... ....
t : : .
. ::: .:.
1 O.GM ....... ........!........ ..... . .......!........ ........!.......
. . . . . . .
: : : : : : :
. ..
. ..
. .
. .. . . . . .
O 002 .......;................. .... ..; ............... ................
. . ..
.
.
.
.
.. ...
. . . . .. . ..
. . . . . . lo
o 001 ....... ;................ . .... -... ;...... .......... . ....... .........
. . ,t
. .....
. .......
. .
.
.
:::
S O AA.A ........;....._... ...........:............
S .vvv .......:........:........:....-... .
t ';' .
I - O.OM .... ... ........ .. ...... .... -. ..... ...l...... .. ..... ...;.......
: : : : n : : :
. . . . .. . ..
. .. . . .. . ..
: ::
. .,
. .. . . . . ..
O 002 .......;................. ....- .;. . ........... ................
. . .,
: : : : : : :
.
. .
. .
: . J :
!a .. -4 -2 . I 4 . .
.... ....)
!a .. -4 -2 . I 4 . .
111M ....)
c
d
D.Ot
D.Dt
: : - Ał-r1lClP _
. .. . . . . ..
. . . . .. . .
. . . . . . .
0.001 ........ .. . .. ; ...... ..... ..... .. -. .. .... .. . .... .. .. ...... Mo; ........... ..... .. .... ...... ... .. ...... .. ........ .... ....... .....
. .. . . .. . ..
. .. . . .. . ..
. ..
. ..
. ..
.. :::::::
S O AAA .......;... .....;....... .;.. ......; ..... ...;.. ......;.. o. -.. ';0' .....
.vvv . .. . . .. . ..
. ..
t : : j: j
. ... .....
I 0.004 ...... o .......+...... . ........ .......+.. no.. ....... +......
. . . . . . .
. .. . . .. . ..
. .. . . .. . .
. ..
. .
. ..
. .. . . .. . ..
o 002 .o.....;.........._.._._. .._.. ;o..o......o...... ......._........
. . I'
. .. ...
. .. ...
.
1 - R KOWA d...... C....a..'
. .. . . .. . ..
. .. . . . . ..
. . . . III . .
0.101 . - .. o.. ; ... -. _.. . -.. - . - . .. - . -.. -;... - . ... .. . ... -. .. -. -.. o .. ... -.
. .. .. .
. .. .. .
.
.
';' ::: :
S O AAA .......;........;........;..... ;...o....;..._.... .._.....;....._.
.vvv . .. ..
. .
t : : :
. ;:: ::.
I 0.004 ....... ........!........ .... .. .n.....!.__..... ........!...n..
. .. ...
. .. ...
. .. ...
. ..
. .,
. ..
. .. ..
O 002 ......_;_.._.........o... .... . ot ..o........_.... ...._.._._._..o.
. . ..
!a .. -4 -2 . I 4 . .
111M ....)
!a .. -4 -2 . I 4 . .
..... C...)
Rys. 2.45. Kompensacja szerokopasmowa: a) impuls niezniekształcony, b) impuls
zniekształcony przez PMD, c) impuls po korekcji SOP, d) impuls na wyjściu
kompensatora [2.45]
Dalej jest określana faza sygnału w funkcji długości fali i następuje jej korekta za
pomocą elementu kształtującego fazę impulsu (ang. phase puls e shaper). Na
rysunku 2.45 pokazano poszczególne etapy kompensacji.
,
2.10. Swiatłowody telekomunikacyjne
Ze względu na wielokrotne powoływanie się w tekście na różne rodzaje
światłowodów poniżej przedstawiono podstawowe informacje, które pozwolą
zrozumieć różnice jakie między nimi występują.W telekomunikacji stosowanych
jest wiele typów włókien światłowodowych; przede wszystkim stosowane są
światłowody krzemionkowe (kwarcowe) jednomodowe i wielomodowe gradientowe
oraz plastikowe wielomodowe gradientowe. Zastosowanie włókien wielomodowych
sprowadza się tylko do bardzo krótkich połączeń zwłaszcza w sieciach dostępowych
i domowych. Powszechnie stosowane są za to światłowody jednomodowe.
Telekomunikacyjne światłowody jednomodowe opisane są bardzo dokładnie
56
Wybrane elementy składowe systemów WOM
w zaleceniach ITU- T. Różnią się one przede wszystkim właściwościami dysper-
syjnymi; z wyjątkiem włókien G. 654, gdzie podstawowym parametrem, na który
się zwraca uwagę jest tłumienność. Mamy następujące rodzaje włókien:
"
l. Swiatłowody standardowe opisane w zaleceniu G. 652 pl.: Characteristics oj
a single-mode optical fibre and cable. Są to naj starsze włókna jednomodowe.
Wartość zera dyspersji przypada na długość fali w przedziale od 1300 nm do
1324 nm, nachylenie charakterystyki dyspersji wynosi 0,092 ps/nm 2 km. W rejonie
trzeciego okna optycznego wartość dyspersji chromatycznej typowo mieści się
w zakresie od 16 do 20 ps/nm . km (rys. 2.46).
25
20
E 15
.::£
10
-
en
B 5
ro
. O
ID
Cl.
en - 5
o
-10
-15
-20
..- ..- G. 655+
..-"-
......-..-..- _..- G. 653
--.... ......
..-..-........ ..- -.... -..- _....... G.655-
__ __ -- .. __ .. ... ---łł-
.",., .",..' ..""""'"
.... - .......
__ -ł- __ ... -- ---łł- ...
-- -- .. -ł- .. ---łł- ..
-- -- -- -ł- .. -- ---łł- -
-- -- .. -- .. ---łł- .-
__ -ł- -ł- .."", .-
.",., .",.. ..
__ -ł- -ł- .. .. ---łł-
__ -- -ł- .. -- .. ---łł-
.",., ,- .."",
.",.---- ,-,. ...."",..
__ -- __ .. ---łł-
-- .......,., .. -łłłłłł-"
-.... .......
.,., __ .. -- .. ---łł- ..
-.......
- .......
---
---
---
---
---
---
---
---
---
---
---
_. G.652
--
--
--
---
---
---
---
---
---
---
---
1350 1410 1450 1490 1530 1570 1610 1650
1390 1430 1470 1510 1550 1590 1630
Długość fali [nm]
Rys. 2.46. Charakterystyka dyspersji chromatycznej włókien G. 652, G. 653 i G. 655
"
2. Swiatłowody z przesuniętą charakterystyką dyspersji opisane w zaleceniu G. 653
pl. Characteristics oj a dispersion-shifted single-mode optical Jibre and cable. We
włóknach tego rodzaju zerową wartość dyspersji przesunięto w rejon trzeciego
okna optycznego. Zero dyspersji przypada na długość fali z przedziału od 1500 nm
do 1600 nm, a nachylenie charakterystyki dyspersji wynosi 0,085 ps/nm 2 . km (rys.
2.46). Dzięki przesunięciu charakterystyki dyspersji uzyskano możliwość połączenia
niskiego tłumienia sygnału, stosowania wzmacniaczy domieszkowanych erbem
z minimalnym wpływem dyspersji chromatycznej. Ma to szczególnie duże znaczenie
dla systemów dalekiego zasięgu o dużych przepływnościach. Wraz z wprowadze-
niem gęstych systemów WDM w rejon trzeciego okna optycznego włókna te
uwidoczniły swój podstawowy mankament, tj. dużą podatność na występowanie
zjawiska mieszania czterofalowego. Obecnie są one wypierane przez włókna G. 655.
"
3. Swiatłowody z przesuniętą długością fali odcięcia opisane w zaleceniu G. 654
pl.: Characteristics oj a cut-off shifted single-mode optical fibre and cable. Włókna
te są przeznaczone do pracy w obszarze od 1530 nm do 1625 nm. Zero dyspersji
,
2.10. Swiatłowody telekomunikacyjne
57
przypada na długość fali wynoszącą ok. 1300 nm. Długość fali odcięcia jest
przesunięta w rejon 1550 nm (jej maksymalna wartość wynosi 1530 nm). Wartość
dyspersji chromatycznej dla 1550 nm jest równa 20 ps/nm km, a nachylenie
charakterystyki dyspersji 0,070 ps/nm 2 . km. Włókna tego rodzaju znalazły
zastosowanie w systemach transmisji dalekiego zasięgu; przede wszystkim
podmorskich. Wynika to z faktu, że dokładnie określono zakres tłumienności
w obszarze długości fali od 1530 nm do 1625 nm; wartość tłumienności nie może
tu przekroczyć 0,22 dB/km.
/
4. Swiatłowody z przesuniętą niezerową charakterystyką dyspersji opisane w zalece-
niu G. 655 pl.: Characteristics oj a non-zero dispersion-shifted single-mode optical
Jibre and cable. Podstawowym powodem wprowadzenia tych włókien była
konieczność zmniejszenia wpływu na jakość pracy systemów WDM efektu mieszania
czterofalowego. Uzyskano to przez przesunięcie zera dyspersji chromatycznej poza
trzecie okno optyczne. Są dwa rodzaje tego typu włókna, tj. włókna, dla których zero
dyspersji przypada na długość fali, która jest mniejsza od 1550 nm i dla których zero
dyspersji przypada na długość fali, która jest większa od 1550 nm (rys. 2.46). Typowa
wartość dyspersji chromatycznej dla długości fali 1550 nm wynosi 4,5 ps/nm . km.
/
5. Swiatłowody z przesuniętą niezerową charakterystyką dyspersji o bardzo małym
nachyleniu opisane w zaleceniu G. 656 pl.: Characteristics oj a Jibre and cable
with non-zero dispersion Jor wideband optical transport. Włókna te stanowią
odmianę włókien G. 655. Charakteryzują się niezerową, dodatnią wartością
dyspersji chromatycznej w zakresie długości fali od 1460 nm do 1625 nm. Dla
1460 nm wartość dyspersji chromatycznej wynosi 2 ps/nm . km, a dla 1625 nm jest
równa 14 ps/nm . km.
Literatura
[2.1] B. Mroziewicz: Półprzewodnikowe lasery telekomunikacyjne. Część I - Lasery o stałej długo. ci
Jali. Przegląd Telekomunikacyjny i Wiadomości Telekomunikacyjne, nr 3, str. 143-147, 2002
[2.2] M. Mroziewicz: Półprzewodnikowe lasery telekomunikacyjne. Część II - Lasery przestrajalne.
Przegląd Telekomunikacyjny i Wiadomości Telekomunikacyjne, nr 4, str. 215-224, 2002
[2.3] K. Holejko: Optyczne sieci telekomunikacyjne. Polsoft, Poznań 1998
[2.4] M. Zirngibl i inni: An 18-channel multifrequency laser. IEEE Photonics Technology Letters, vol.
8, nr 7, str. 870-872, 1996
[2.5] A. Banerjee: Wavelength-division-multiplexed passive optical network (WDM-PON) technologies
Jor broadband access: a review. Journal of Optical Networking, vol. 4, nr 11, str. 737-758,2005
[2.6] A. Krishnaswami, B. lalali: Wavelength hopping using time gating oJ chirped supercontinuunl.
Proceedings of SPIE, vol. 4989, str. 88-92, 2003
[2.7] G. P. Agrawal: Fiber-optical communication systems. John Wiley&Sons Inc., New York 1992
[2.8] G. Hoven, J. Wachsman: Semiconductor ampl fiers me et metro requirements. WDM Solutions,
vol. 3 nr 10, 2001
[2.9] A. Kowalski: Podstawy optotelekomunikacji. Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej,
Warszawa 1998
58
Wybrane elementy składowe systemów WOM
[2.10] P. Hansen: Remote optical amplification extends transmission spans. Lightwave, vol. 15, nr 7,1998
[2.11] Masahito Tomizawa, Yutaka Miyamoto: Recent progress and standardization activities on
40Gbit/s channel technologies. Proceedings of ECOC 2002, 28 European Conference on Optical
Communications, Kopenhaga (Dania) 2002
[2.12] J. D. Minelly: Applications oJ New Materials for Fiber Optic Amplifiers and Lasers. Proceedings
of ECOC 2001, 27 European Conference on Optical Communications, Amsterdam (Holandia)
2001
[2.13] H. Y oshimura: Photonics device technologies for Juture networks. NTT Review, vol. 12, nr 6,
2000
[2.14] T. Kitabayashi, T. Sakai: No"el Gain-Tilt Free L-band EDFA Using Thulium-doped Fiber.
Proceedings of ECOC 200 l. 27 European Conference on Optical Communications, Amsterdam
(Holandia) 2001
[2.] 5] K. Flatow, H. Hou: Overview oJ dynamie gain-flattening technologies. Lightwave, vol. 19, nr 3,
2002
[2.16] A. Girard i inni: Guide to WDM technology and testing. EXFO, Quebec City (Kanada) 2000
[2.17] Yihong Chen, Anjali Singh: Bi-directionally pumped broadband Raman Amplifier. Proceedings
of ECOC 2001, 27 European Conference on Optical Communications, Amsterdam (Holandia)
2001
[2.18] P. Bojakowski: Analiza czynników szumowych we wzmacniaczach Ramana (praca magisterska).
Politechnika Warszawska; Wydział Elektroniki i Technik Informacyjnych, Warszawa, 2005
[2.19] E. Schulze, R. Freund: 10 Gb/s NRZ Transmission over 1800 km Multiple Pumped Distributed
Raman Amplified Transmission Link without Lumped Amplifiers. Proceedings of ECOC 2001,
27 European Conference on Optical Communications, Amsterdam (Holandia) 2001
[2.20] I. Kaminov, T. Li: Optical fiber Telecommunications IVA. Components. Academic Press, San
Diego (Stany Zjednoczone) 2002
[2.21] B. Ramamurthy, B. Mukherjee: Wavelength conversion in WDM networking. IEEE Selected
Area in Communications, vol. 16, nr 7, str. 1061-1073, 1998
L2.22] K. E. Stubkjaer i inni: Wavelength Converter technology. IEICE Transactions on Communications,
vol. E82- B, nr 2, str. 390-400, 1999
[2.231 H.P. Nolting: All-optical 3R-regeneration Jor photonic nem'orks. www.hhi.fraunhofer.de/ger-
man/os/ecoc/HHI -OS3.pdf , 2003
[2.24] D. Syvridis: Alf optical regeneration. www.uc3m.es/uc3m/dptoIIN/dpin08/Syvridis_optoel.pdf.
.2004
[2.25] T. Ohno, K. Sato: 40 GHz optical clock recovery Jrom a 160 Gbit/s optical data stream using
a regeneratively mode-locked semiconductor laser. Proceedings of ECOC 2002, 28 European
Conference on Optical Communications, Kopenhaga (Dania) 2002
[2.26] J. C. Palais: Zarys telekomunikacji światłowodowej. WKŁ, Warszawa, 1991
[2.27] K. Aoyamam, J. Minowa: Low-Ioss optical demultiplexer for WDM systems in the 0.8 f.1 m .
wavelength region. Applied Optics, vol. 18, nr 16, str. 2834-2836, 1979
[2.28] M. Marciniak: Łączność światłowodowa. WKŁ, Warszawa, 1998.
[2.29] R. Chua, B. Cai: Component technology enables high-capacity DWDM systems. Lightwave, vol.
15, nr 9, 1998
[2.30] L. A. Coldren: Tunable Semiconductor Lasers. www.ece.ucsb.edulFaculty/Coldren/pa-
pers/TSL. pdf , 2002
[2.31] A. Jajszczyk: Optical networks-the electro-optic reality. Optical Swiching and Networking, vol.
3, nr l, r. 3-18, 2005
[2.32] J.T. GalIo i inni: Polymer Waveguide Components Jor Switched WDM Cross-Connects.
www.opticalcrosslinks.com/pdf/bubble. pdf
[2.33] Z. Zhu, T. G. Brown: Multipole analysis oJ hole-assisted optical fibers. Optics Communications,
vol. 206, nr 4-6, str. 333-339, 2002
[2.34] D. Ouzounov, D. Homoelle: Dispersion measurements of microstructured fibers uSlng
Jemtosecond laser pulses. Optics Communications, vol. 192, nr 3-6, str. 219-223, 2001
Literatura
59
[2.35] I. Kaminov, T. Li: Optical fiber Telecommunications IVB. Components. Academic Press, San
Diego (Stany Zjednoczone) 2002
[2.36] Dokument ITU-T Draft New Recommendation G.667(ex-G.adc) wersja 0.21Rl: Characteristics
oJ Adaptive Chromatic Dispersion Compensators, 2006
[2.37] K. Mukasa: Dispersion-Managed Transmission Lines with Reverse-Dispersion Fiber. Furukawa
Review, nr 19, http://www.furukawa.co.jp/review/frOI9.htm . 2000
[2.38] B. Jopson, A. Gnauck: Dispersion compensation Jor optical fiber systems. IEEE Communications
Magazine, vol. 33, nr 6, 96-102, 1995
[2.39] Dokument ETSI ETR 268: Transmission and Multiplexing (TM). Physical aspects oj long-haul
optical systems Jor l DGbit/s capacity , 1996
[2.40] D. SandeI i inni: Some enabling techniques Jor polarization mode dispersion compensation.
Journal of Lightwave Technology, vol. 21, nr 5, str. 1198-1210, 2003
[2.41] H. Rosenfeldt: Enabling high-speed, high-capacity dynamic optical networks: overcoming the
dispersion impairments, materiały firmy Photonics GmbH, 2005
[2.42] H. Sunnerud i inni: A Comparison Bef117een Different PMD Compensation Techniques. Journal
Of Lightwave Technology, vol. 20, nr 3, str. 368-378, 2002
[2.43] M. H. Smith i inni: Comparison oj different PMD compensator configurations based on outage
probability. Proceedings of OFC 2002, Optical Fiber Communication Conference, Anaheim,
Stany Zjednoczone 2002
[2.44] S. P. Jung i inni: Multi-channel PMD compensation based on distributed polarization control.
Proceedings of OFCINFOEC 2005, Optical Fiber Communication ConferencelNational Fiber
Optic Engineers Conference, Anaheim (Stany Zjednoczone) 2005
[2.45] M. Akbulut i inni: Wideband All Order PMD Compensation via Pulse shaping. Proceedings
of OFCINFOEC 2005, Optical Fiber Communication ConferencelNational Fiber Optic Engineers
Conference, Anaheim (Stany Zjednoczone) 2005
Rozdział
Zjawiska ograniczające pracę
systemów WDM
3.1. Przesłuch międzykanałowy
Międzykanałowy przesłuch optyczny (ang. optical crosstalk) jest definiowany jako
niepożądane przejście informacji pomiędzy różnymi, niezależnymi sygnałami
(kanałami) optycznymi. Warto tu wspomnieć, że poprawnie należałoby to zjawisko
nazywać przenikiem. Jednakże ze względu na powszechne przyjęcie przez
środowisko zajmujące się techniką światłowodową terminu przesłuch właśnie ta
nazwa jest dalej używana.
3.1.1. Bilans mocy optycznej systemu WDM
Jednokierunkowy system WDM
Jednokierunkowy system WDM jest systemem, w którym propagacja sygnału
optycznego w poszczególnych kanałach (w najprostszym przypadku w dwóch
kanałach) odbywa się w jednym kierunku. W dalszych rozważaniach ograniczono
się do analizy zjawisk zachodzących między dwoma sąsiednimi kanałami
systemu. Założono, że wpływ dalszych kanałów na parametry danego kanału
jest pomijalnie mały.
Na rysunku 3.1 przedstawiono jednokierunkowy system WDM składający się
z dwóch nadajników (laserów) Txi oraz Txj, optycznego multipleksera (OMUX),
optycznego demultipleksera (ODMUX) i pary odbiorników Rxi, Rxj.
I I Kanał i
Txi Aj I
I Kanał j I
'A 0
J
Rys. 3.1. Jednokierunkowy system WDM (oznaczenia w tekście)
Kanał i
'A" Rxi
I I I
Światłowód
OMUX OMUX
3 3
J J Kanał j Rxj
'A"
I Txj
--
3. 1. Przesłuch międzykanałowy
61
W jednokierunkowych systemach WDM moc sygnału użytecznego docierająca do
odbiornika w kanale i wynosi:
P wyi == Pwei-Mii(Ai)-Ri-a(Ai)
(3.1)
Moc sygnału przesłuchu, który pochodzi z kanału j i dociera do odbiornika
w kanale i jest równa:
Xij == Pwej-M.ii( )-Rj-a(Aj)
dla i, j == 1,2 oraz i -:;ć j
(3.2)
gdzie: P wei - moc optyczna na wyjściu nadajnika w kanale i, P wej - moc optyczna
na wyjściu nadajnika w kanale j, Mii(AJ - suma strat mocy optycznej wnoszonych
przez multiplekser i demultiplekser w kanale i, M.ii(A j ) - suma strat mocy optycznej
wnoszonych przez multiplekser i demultiplekser w kanale j, przy czym:
Moo ( Ao ) == Ho 3 ( Ao ) + H 3 " ( Ao )
}I '} }_ '} _ I '}
(3.3)
(3.4 )
M.. ( Ao ) == Ho') ( Ao ) + H'). ( Ao )
li I L-' I :JI I
gdzie: H i3 (A i ), Hj3 (Aj) - straty wnoszone przez multiplekser dla kanału i orazj, H 3i (A i ),
H 3i (Aj) straty wnoszone przez demultiplekser dla kanału i orazj, R i oraz Rj - straty mocy
związane z odbiciami od punktowych wtrąceń linii optotelekomunikacyjnej dla kanału
i oraz j, a(A i ) - tłumienie światłowodu w kanale i, a(A j ) - tłumienie światłowodu
w kanale j; A i - długość fali światła w kanale i; Aj - długość fali światła w kanale j.
Dwukierunkowy system WDM
Dwukierunkowy system WDM jest systemem, w którym propagacja sygnału
optycznego w kanałach (w najprostszym przypadku w dwóch kanałach) odbywa
się w przeciwnych kierunkach.
W dalszych rozważaniach ograniczono się do analizy zjawisk zachodzących
między dwoma sąsiednimi kanałami systemu; założono, że wpływ dalszych
kanałów na parametry danego kanału jest pomijalnie mały.
Na rysunku 3.2 przedstawiono dwukierunkowy system WDM składający się
z dwóch nadajników (laserów) Txi oraz Txj, dwóch optycznych duplekserów
(OM/D) i pary odbiorników Rxi, Rxj.
I I Kanał i
Txi . Ąj I
I Ka;ał j I
J
Rys. 3.2. Dwukierunkowy system WDM (oznaczenia w tekście)
Ka nał i Txj
'A 0
I J J
Światłowód
3 3
OM/D OM/D
J I Ka nał j
Rxi
Al
I Rxj
W dwukierunkowych systemach WDM moc sygnału użytecznego docierająca do
odbiornika w kanale i wynosi:
P io"i == Pwei-Mii(AJ-Ri-a(Ai)
(3.5)
62
Zjawiska ograniczające pracę systemów WDM
Moc sygnału przesłuchu, który pochodzi z kanału j i dociera do odbiornika
w kanale i jest równa:
Xij == p wej - M ji (Aj)
dla i, j == l, 2 oraz i =;ć j
(3.6)
gdzie: P wei - moc optyczna na wyjściu nadajnika w kanale i, P wej - moc optyczna
na wyjściu nadajnika w kanale j, Mii(Ai) - straty mocy optycznej wnoszone przez
duplekser w kanale i dla sygnału z kanału i, Mji(A j ) - straty mocy optycznej
wnoszone przez duplekser w kanale i dla sygnału z kanału j, R i - straty mocy
optycznej związane z odbiciami od punktowych wtrąceń linii optotelekomunikacyj-
nej w kanale i, a (A i ) - tłumienie światłowodu w kanale i, A i - długość fali światła
w kanale i, Aj - długość fali światła w kanale j.
Wpływ sygnału pochodzącego z odbić od punktowych wtrąceń do linii op-
totelekomunikacyjnej jest do pominięcia przy założeniu, że reflektancja nie
przekracza wartości określonych w zaleceniach dotyczących systemów telekomuni-
kacyjnych, tj. - 25 dB lub -27 dB [3.1].
3.1.2. Wyznaczanie przesłuchu między kanałami systemu WDM
W systemach jednokierunkowych jak i w dwukierunkowych WDM przesłuch
w kanale i można określić następującą zależnością [3.2]:
c.. ==
IJ
x..
IJ
P wvi
(3.7)
lub
( X.. )
Cij== 10log IJ. [dB]
P WYI
(3.8)
Przesłuch definiujemy jako stosunek mocy optycznej sygnału przesłuchu po-
chodzącego z innego kanału do poziomu mocy optycznej sygnału użytecznego
danego kanału.
Zakładając, że moc wyjściowa w kanale i jest równa czułości odbioru (odbiornika)
sygnału optycznego (Pi. omin), będącej poziomem średniej mocy optycznej potrzebnej
dla odbioru sygnału z określoną stopą błędu, przesłuch można zdefiniować jako [3.2]:
c.. ==
IJ
x..
l}
(3.9)
Pi,omin
lub
( X.. )
C ij == 10log . IJ. [dB]
Pl,omm
(3.10)
Zależności te można przedstawić za pomocą parametrów systemu WDM.
Dla jednokierunkowego systemu WDM (rys. 3.1) zależność jest następująca [3.2]:
Cij == 10 log ( Pj,omin ) + ORij + MAR j [dB]
P"omm
(3.11 )
3. 1. Przesłuch międzykanałowy
63
a dla dwukierunkowego systemu WDM (rys. 3.2) wynosi [3.2]:
C 101 ( Pj,ornin ) O d
.. == O g + R..+MAR.+aL. [ B ]
l} P .' l} } .l
" ornm
(3.] 2)
gdzie: Pi. ornin, P j , orni n - czułości odbioru sygnału optycznego odpowiednio w kanale
i oraz j, ORij - stopień przenikania sygnału optycznego z kanału j do kanału i,
MAR j - margines systemu w kanale j, aL j - straty linii optotelekomunikacyjnej
w kanale j:
aL == Mij(Aj)+Rj+a(A j ) [dB]
(3.13)
Na rysunku 3.3 pokazano zależność pomiędzy przesłuchem a parametrami dla
jednokierunkowego systemu WDM, a na rys. 3.4 dla dwukierunkowego
systemu WDM.
Moc wejściowa P wej
Poziom
mocy optycznej
Straty systemu aL j
X..
IJ
Moc wyjściowa P wyj
Margines systemu MAR j
Pi,omin
Czułość odbioru
sygnału optycznego Pj,omin
-------------- Wartość progowa
Wartość
progowa
Poziom "O"
Kanał i Kanał j
Rys. 3.3. Zależność pomiędzy przesłuchem a parametrami jednokierunkowego
systemu WOM
Dla systemów WDM, w których odległości między kanałami są duże należy
uwzględnić dodatkowo zależność czułości fotodetektora w odbiorniku od długości
fali. Czułość fotodetektora Rd wynosi:
llqA
Rd ==
he
(3.14)
64
Zjawiska ograniczające pracę systemów WDM
X..
IJ
Moc wejściowa P wej
t Poziom
I mocy optycznej
Straty systemu aLj
Moc wyjściowa P wyj
Pi,omin
Margines systemu MAR j
Czułość odbioru
sygnału optycznego Pj,omin
-------------- Wartość progowa
Wartość
progowa
Poziom "O"
Kanał i Kanał j
Rys. 3.4. Zależność pomiędzy przesłuchem a parametrami dwukierunkowego
systemu WDM
gdzie: 11 - sprawność kwantowa fotodetektora, q - ładunek elektronu, A - długość
fali, h -stała Plancka, a c - prędkość światła.
Przy wzięciu pod uwagę czułości fotodetektora, wartość przesłuchu staje się
stosunkiem odpowiednich sygnałów elektrycznych [3.2]:
( n..A. ) x..
C .. == . I I} J l}
r, J
11 ii A i Pi,omin
(3.]5)
gdzie: Xi}, Pi, omin, A i , ; - jak we wzorach (3.]), (3.2) i (3.3), 1]ii - sprawność
kwantowa fotodetektora kanału i dla sygnału pochodzącego z kanału i, 1]i} - spraw-
ność kwantowa fotodetektora kanału i dla sygnału pochodzącego z kanału j.
Zależność (3.15) opisuje przesłuch elektryczny, który jest stosunkiem odpowiednich
sygnałów elektrycznych, z kolei zależność (3.9) opisuje przesłuch optyczny, który
jest stosunkiem odpowiednich sygnałów optycznych. Ponieważ charakterystyka
detektora jest opisana funkcją kwadratową, to również zależność między poziomem
mocy optycznej, a poziomem sygnału elektrycznego (prądu) też będzie funkcją
kwadratową; tak więc przesłuch optyczny nie jest równy przesłuchowi elektrycz-
nemu. W dalszej analizie będzie rozważany jedynie przesłuch optyczny. W obec-
ności sygnału przesłuchu o wartości Xi} czułość odbioru sygnału optycznego ulega
. .. .
zmIanIe I wynosI:
P'i,omin == Pi, omin + Xi}
(3.16)
-.........
3. 1. Przesłuch międzykanałowy
65
Pogorszenie bilansu mocy systemu (P p ) i w konsekwencji zmniejszenie marginesu
systemu spowodowanej przesłuchem jest równe:
p ==
p
p;, omin
Pi,omin
(3.17)
lub
P p == 10log ( F;,nmm ) [dB]
P I . omm
(3.18)
Zmiana bilansu mocy systemu WDM, tak jednokierunkowego jak i dwukierun-
kowego, o określonych parametrach i występowaniu sygnału przesłuchu o wartości
Xu ma inny charakter w zależności od tego czy uwzględniamy występowanie
przesłuchu przy określaniu marginesu systemu (przypadek a), czy zwiększamy
moc wyjściowej nadajnika w każdym kanale w celu poprawy parametrów
jakościowych systemu (przypadek b).
W przypadku a) pogorszenie bilansu mocy wynosi [3.2]:
x..
P == 1 + l}
p Pi,omin
(3.19)
czyli
P p == 1 + C ij
(3.20)
Dla przypadku b) zwiększenie mocy wyjściowej nadajnika powoduje symetryczny
wzrost mocy w obu kanałach, czyli zwiększenie mocy sygnału użytecznego
docierającego do odbiornika (P wyi ) w kanale i, jak również zwiększenie mocy
sygnału przesłuchu (Xij) pochodzącego z kanałuj. W obu tych przypadkach zmiana
czułości odbioru sygnału optycznego wynosi [3.2]:
P;,omin == Pi,omin + X
(3.21)
przy czym
X' P' ( Xij )
. ij == i,omin p. .
l.omm
(3.22)
stąd pogorszenie bilansu mocy wynosi:
l
1-
X..
l}
(3.23)
P p ==
Pi,omin
czyli
P ==
p
1
l-C..
l}
(3.24 )
Na rysunku 3.5 przedstawiono zależność pogorszenia bilansu mocy w zależności
od zmian wartości przesłuchu.
66
Zjawiska ograniczające pracę systemów WDM
P p [dB]
:', : ---
2,50 I
2,00 I
L
1,50 l
1,00 I
0,50 r
0,00
- 30 - 25
Przypadek a)
Przypadek b)
-20
I
I
-15 -10 -5
Cij [dB]
Rys. 3.5. Pogorszenie bilansu mocy w funkcji przesłuchu
W przypadku a) ze względu na to, że zmniejszenie marginesu systemu w jednym
kanale nie ma wpływu na parametry drugiego kanału oba można traktować
w sposób niezależny .
W przypadku b) występuje wzajemna zależność pomiędzy parametrami kanałów,
co prowadzi do znacznego pogorszenia bilansu mocy w porównaniu z przypad-
kiem a) [3.2].
3.1.3. Wpływ szumu śrutowego na zmianę bilansu mocy systemu
W przypadku uwzględnienia zmiany szumu śrutowego w odbiorniku kanału
i spowodowanego występowaniem sygnału przesłuchu, pochodzącego z sąsiedniego
kanału, pogorszenie bilansu mocy wynosi dla przypadku a):
P p == Ki + Cij
(3.25)
oraz dla przypadku b)
K.
Pp == l
K.+C..
l l}
(3.26)
gdzie
2 2
(J-r- + (J S ..
K. == l l l)
l .-2 2
GTi + (JSi
(3.27)
gdzie: (J2 Ti - wariancja szumu termicznego, (J2 Si - wariancja szumu śrutowego
w przypadku braku przesłuchu, (J2 Sij - wariancja szumu śrutowego w przypadku
obecności przesłuchu.
Analiza przedstawiona w pracy [3.2] wskazuje, że pogorszenie bilansu mocy
spowodowane zwiększeniem szumu śrutowego wynikającego z występowania
przesłuchu jest do pominięcia.
3. 1. Przesłuch międzykanałowy
67
3.1.4. Wpływ przesłuchu na poziom elementowej stopy błędu
W systemie WDM, w wyniku przesłuchu, obok sygnału użytecznego w danym
kanale występuje również sygnał pochodzący z sąsiedniego kanału, który wpływa
na poziom elementowej stopy błędu (ang. BER - Bit Error Rate) (rys. 3.6).
Sygnał użyteczny
lU
Sygnał przesłuchu
Sygnał użyteczny plus
sygnał przesłuchu
Rys. 3.6. Sygnał użyteczny,
sygnał przesłuchu i suma
obu tych sygnałów będąca
wynikiem przesłuchu
W procesie detekcji możemy rozróżnić występowanie następujących stanów:
- S I l: sygnał użyteczny l, sygnał przesłuchu l;
- Soo: sygnał użyteczny O, sygnał przesłuchu O;
- SIO: sygnał użyteczny l, sygnał przesłuchu O;
- SOI: sygnał użyteczny O, sygnał przesłuchu l.
Całkowita elementowa stopa błędu w analizowanym przypadku wynosi [3.3]:
Pe == Pu(I)Pw(l)pł6+Pu(1)Pw(0)p:8+Pu(0)Pw(l)p8ł +
+ Pu(0)Pw(0)p8? (3.28)
gdzie: Pw(i), Pu(i) - prawdopodobieństwo wystąpienia odpowiednio sygnału
użytecznego i sygnału przesłuchu o wartości logicznej i (i == O, l).
Zakładając jednakowe prawdopodobieństwo wystąpienia O i l: Pw (i) == Pu (i) == 0,5.
prawdopodobieństwo (P ) tego, że sygnał i zostanie zdekodowany jako k (i k)
jest równe [3.4]:
Qij ==
]
ID-Sijl
ex p ( -+Qt)
Qij
dla Q .. > 3
l}
(3.29)
P l} -
ik -
a..
l}
(3.30)
gdzie: D - wartość progowa, Sij - wartość sygnału w momencie próbkowania, (J'2ij
. .
- warIanCja szumu.
Można również założyć, że: pł8 == p8: i pł: == p8? oraz, że (J'ij - wartość stała dla
każdej kombinacji sygnałów pochodzących z obu kanałów ((J'ij == N). Przyjmując
dalej, że: Q' == Qii oraz Q == Qij. Całkowita elementowa stopa błędu jest równa [3.3]:
]
P e ==2(P+P')
(3.31)
68
Zjawiska ograniczające pracę systemów WDM
gdzie: P - prawdopodobieństwo związane z Q, a p' - prawdopodobieństwo
związane z Q'.
Na podstawie podanych założeń otrzymujemy ostatecznie [3.3]:
Q = I P wy; ( eXii - 1 ) [ 1 _ ( Xij ) ( ex;; - 1 ) ( ex;; l )]
'V N eX;i + l P wyi ex;; + l eX;i 1
(3.32)
Q' = I P wy; ( eXii -1 ) [ 1 + ( Xij ) ( ex;; -1 ) ( exu l )]
'V N ex i ; + 1 P WY; ex;; + 1 ex;; l
(3.33)
gdzie: Xij, P wy ; - jak we wzorze (3.1) i (3.2), ex;;, eXij - współczynnik ekstynkcji
odpowiednio dla sygnału użytecznego i sygnału przesłuchu.
Przy założeniu, że ex i ; == eXij powyższe zależności można przedstawić w na-
stępującej postaci [3.5]:
Q = (l - Ci)
(3.34)
I I S
Q = 'VN(l +C)
(3.35)
S
z tym, że - - stosunek mocy sygnału do mocy szumu przy braku przesłuchu
N
(Xij == O, Cij == O), a Cij - wartość przesłuchu.
Na rysunku 3.7 przedstawiono zależność elementowej stopy błędu (Pc) od poziomu
stosunku sygnału do szumów ( ) dla kilku wartości przesłuchu (CJ,
Pe [d B]
-12
-14
-16
-18
-20
-22
-24
-26
-28
-30
-32 7 7,5
5 5,5 6 6,5
/
C.. = O
IJ
8 8,5 9
9,5 10
SIN [dB]
Rys. 3.7. Zależność
elementowej stopy błędu
S
w funkcji parametru - dla
N
różnych wartości przesłuchu
3. 1. Przesłuch międzykanałowy
69
Uzyskane wyniki wskazują na bardzo wyraźny wzrost elementowej stopy błędu dla
poziomu przesłuchów większych od minus kilkunastu dBa Brak wyraźnego wpływu
przesłuchu międzykanałowego na elementową stopę błędu systemu uzyskujemy
przy wartościach przesłuchu mniejszych niż - 20 dBa
Przy braku przesłuchu czułość odbioru Pi, omin można określić w następującej
postaci [3.3]:
( he ) ( ex.. + 1 )
Pi,nmin = A /I -1 QsN
n .. q ex..
, III II
(3.36)
gdzie: Qs - związane ze stosunkiem sygnału do szumu wymaganym do otrzymania
określonej elementowej stopy błędu.
W celu otrzymania w obecności przesłuchu takiej samej elementowej stopy błędu
jak przy jego braku poziom sygnału P wyi musi ulec zwiększeniu tak, aby Q = Qs,
czy li:
( n .. q ,,-. )
'l U l P
WVi [ ]
he . ex..-l X.. ex..-l ex.. + 1
II ]_ l} l} II =
N ( ex ii + l ) ( PWyJ Lx ij + l )( ex ii -l )
Pi,omin
(3.37)
( he ) ( ex.. + 1 )
11 iiqA i ex;; -1 N
Przy założeniu, że eX ii = eXij powyższą zależność można przedstawić w następujący
sposób [3.3]:
P i'\'i
l
(3.38)
Pi,omin
X..
1- l}
P wyi
Na rysunku 3.8 przedstawiono pogorszenie czułości odbioru odbiornika sygnału
optycznego w zależności od stosunku sygnału przesłuchu do sygnału użytecznego.
18
16
14
........ 12
CC
10
8
6
4
2
o -1 -2 -3 -4 -5 -6 -7 -8 -9 -10 -11 -12 -13 -14-15
10Iog(X1P wy ) [dB]
Rys. 3.8. Zmiany czułości odbioru baS w funkcji stosunku sygnału przesłuchu
do sygnału użytecznego
70
Zjawiska ograniczające pracę systemów WDM
W dwukierunkowym systemie WDM dopuszczalne, maksymalne straty (aLmax)
wnoszone przez system WDM, tj. tłumienie światłowodu, straty wnoszone przez
złącza i duplexery; przy założeniu jego symetrii, wynoszą [3.3]:
aL max == p wemin - MAR - P w)'
(3.39)
gdzie: Pwemin - minimalna, dopuszczalna moc optyczna na wyjściu nadajnika,
p wy - moc sygnału docierająca do odbiornika, a MAR - margines systemu.
W skrajnym przypadku moc sygnału na wejściu odbiornika jest równa jego
czułości (P wy == P omin )' Największą wartość przesłuchu można określić jako:
X max == P wemax - DR
(3.40 )
gdzie: DR - minimalna wartość odwrotności przesłuchu (czyli stosunku mocy
optycznej sygnału użytecznego do mocy sygnału przesłuchu). Przyjmując, że:
aL aL max -l1S
(3.41)
przy czym l1S - wartość dopuszczalnego, maksymalnego pogorszenia czułości
odbioru sygnału optycznego.
Na podstawie powyższych zależności można określić wymagania na wartość DR,
przy której uzyskujemy założone dopuszczalne pogorszenie czułości odbioru
sygnału optycznego [3.3]:
DR aL+l1P we +MAR-(X-P wv )
(3.42)
gdzie: l1P we == P wemax - P wemin
Wartość X - P wy odpowiadającą danemu l1S można odczytać z rys. 3.8.
I I Pwe
Tx I
x)
I Rx I !
P wy I
I
I
OM/D
we
Tx
Światłowód (x
OM/D
I Rx
I
p
aL
I P w y
I
I
I
Rys. 3.9. Dwukierunkowy, dwukanałowy system WDM (oznaczenia w tekście)
Dla przykładu rozważmy system o następujących parametrach:
- maksymalna dopuszczalna moc wyjściowa nadajnika P wemax == O dBm,
- minimalna dopuszczalna moc wyjściowa nadajnika P wemin == - 5 dBm,
- czułości odbioru sygnału optycznego P omin == - 18 dBm,
- margines systemu MAR == ldB.
Przy założeniu dopuszczalnego pogorszenia czułości odbioru sygnału optycznego
(l1S) na poziomie 3 dB i korzystając z zależności (3.39) dla P wy == P omin
otrzymujemy aLmax == 12 dB.
Zakładając aL == aL max -l1S otrzymujemy aL == 9 dB. Z rysunku 3.8 możemy
odczytać, że dla l1S == 3 dB wartość X - P wy jest równa - 3 dB.
-
3.2. Przesłuch kanałowy
71
Na podstawie tych obliczeń z zależności (3.42) można określić wymagania na
wartość stosunku mocy optycznej sygnału użytecznego do mocy sygnału przesłuchu
(OR), przy której uzyskujemy założone dopuszczalne pogorszenie czułości odbioru
sygnału optycznego. W tym przypadku OR 18 dB, czyli wartość przesłuchu
powinna wynosić Cij -18 dB. Przyjmując podane parametry i zakładając
I1S == 2 dB otrzymujemy odpowiednio aL == 10 dB i Cij -20 dB. Prze-
prowadzone obliczenia pozwalają na wysunięcie wniosku, że w obecności
przesłuchu musi wzrosnąć margines systemu WDM.
3.1.5. Wpływ przesłuchu międzykanałowego na synchronizacje sieci
telekomunikacyjnej SDH
Systemy SDH (ang. Synchronous Digital Hierarchy) ze względu na stosowane
w nich zwielokrotnienie synchroniczne wymagają dostarczenia im sygnałów
synchronizujących wysokiej jakości. W sieciach SDH wybrana krotnica jest
synchronizowana z zewnętrznego stabilnego źródła np. zegara centrali tranzytowej,
a pozostałe są synchronizowane sygnałami liniowymi STM-N (ang. Synchronous
Transport Module). Krotnice SDH wyposażone są w układy taktowania i syn-
chronizacji, których rdzeniem jest zegar krotnicy. Dostarcza on sygnałów taktowania
do wszystkich bloków funkcjonalnych krotnicy. Zegar ten może być synchronizo-
wany przez:
- dowolny z sygnałów liniowych STM-N,
- dowolny z sygnałów składowych o przepływności 2 Mbit/s,
- sygnał generatora zewnętrznego 2,048 MHz,
- generator zegara krotnicy w trybie nie synchronizowanym z podtrzymaniem.
Przełączanie źródła synchronizacji odbywa się pod kontrolą systemu zarządzania
lub na podstawie określonej listy priorytetów. Zanik sygnału wejściowego STM-N
powoduje zmianę źródła synchronizacji [3.6]. W systemach WDM, gdy poziom
sygnału użytecznego w danym kanale zaniknie lub jest na bardzo niskim poziomie,
co może być spowodowane uszkodzeniem nadajnika, istnieje możliwość podobnie
jak w sieci PDH (ang. Plesiochronous Digital Hierarchy), że przy dużej czułości
odbioru sygnału nastąpi synchronizacja zegara odbiornika z sygnałem pochodzącym
z sąsiedniego kanału i jego odebranie. W celu uniknięcia wystąpienia tego
zjawiska należy przyjąć dopuszczalną wartość przesłuchu międzykanałowego na
poziomie C ij - 25 dB [3.7].
3.2. Przesłuch kanałowy
Przesłuch kanałowy (ang. in band crosstalk) ma mIejSCe wówczas, gdy sygnał
użytkowy i sygnał zakłócający ma tę samą długość fali. Tego typu przesłuch może
zachodzić w następujących przypadkach [3.8]:
l. W optycznych krotnicach transferowych: w przypadku zbyt małej izolacji
między kanałem wyprowadzonym (drop) i wprowadzonym (add). Ten typ
72
Zjawiska ograniczające pracę systemów WDM
przesłuchu ma miejsce, gdy na niecałkowicie wyprowadzony sygnał z urządzenia
zostanie nałożony sygnał wprowadzany na tej samej długości fali.
2. W demultiplekserach: w sytuacji, gdy niektóre źródła światła emitują sygnał na
długościach fali innych niż się zakłada. Może to być spowodowane, np. przez
niewłaściwe wytłumienie modów bocznych (ang. sidemode suppression) lub
czynniki zewnętrzne.
3. W przełącznicach optycznych: gdzie brak jest właściwej izolacji między
przełączanymi kanałami.
4. W wyniku występowania silnych odbić od elementów występujących w sieci;
co prowadzi do tzw. interferencji wielościeżkowej (ang. multi-path interference).
To zjawisko szerzej omówiono w kolejnym punkcie.
Pogorszenie bilansu mocy optycznej wywołane przez przesłuch kanałowy o wartości
C IB można przedstawić za pomocą następującej zależności [3.9]:
PI == -510g lO
1
1+-
ex
1-4. I OC/BilO Q2
( l - :x r
[dB]
(3.43 )
gdzie: ex - współczynnik ekstynkcji, a Q - w sposób przybliżony można opisać
zależnością Q == -J2 erfc - 1 (4 x BER), erfc - funkcja błędów.
3.3. Wpływ odbić od punktowych wtrąceń w łączu
światłowodowym
/
Swiatło propagując się w światłowodzie ulega odbiciom od punktowych wtrąceń
występujących w łączu optotelekomunikacyjnym, np. złączy optycznych. W ich
następstwie może dojść do wielu niekorzystnych zjawisk powodujących zmiany
parametrów systemu. Odbite światło może powodować zmiany (fluktuacje) mocy
docierającej do odbiornika, zniekształcenia impulsu, szum fazowy lasera, zmiany
generowanej przez laser długości fali, zmiany szerokości widmowej jego promie-
niowania oraz wartość prądu progowego. Wielokrotne odbicia światła mające
miejsce w łączu światłowodowym powodują pogorszenie bilansu mocy w wyniku:
- występowania pasożytniczych sygnałów docierających do odbiornika z różnymi
opóźnieniami względem właściwego sygnału; co powoduje interferencję między-
symbolową,
- występowania sprzężenia pomiędzy rezonatorem( -ami) tworzącym( -ymi) się
w światłowodzie między punktami odbić, a rezonatorem lasera, w wyniku czego
następuje konwersja szumu fazowego w szum natężeniowy.
Na rysunku 3.10 przedstawiono mechanizm odbić od dwóch punktowych wtrąceń,
a na rys. 3.11 sygnał właściwy i sygnały pasożytnicze (będące wynikiem
wielokrotnych odbić) na wyjściu systemu.
---
3.3. Wpływ odbić od punktowych wtrąceń w łączu światłowodowym
73
Punktowe wtrącenie
Nadajnik
optyczny
Odbiornik
optyczny
Rys. 3.10. Odbicie od dwóch
punktowych wtrąceń
Moc wyjściowa
Sygnał właściwy
Sygnały pasożytnicze
Czas
Opóźnienie Opóźnienie
Rys. 3.11. Sygnał właściwy
i sygnały pasożytnicze
W przypadku występowania w łączu optotelekomunikacyjnym punktowych odbić
całkowite wyjściowe pole elektryczne (ET) można zapisać jako sumę sygnału
właściwego i sygnałów opóźnionych w wyniku odbić. Dla dwóch punktów
odbiciowych mamy [3.10]:
ET (t) == E(t) + R 12 E (t - L]2)
(3.44 )
W przypadku występowania n (n 3) punktowych wtrąceń (rys. 3.12), biorąc
pod uwagę jedynie odbicia najwyżej drugiego rzędu, otrzymujemy [3.10]:
n ;-1
ET(t) == Enn (t) + L L RijEnn (t- Lij)
;=2 j= l
(3.45)
przy czym
Lij == 2 L Tk
k=j
Tk ==
Lkn r
c
R.. == R.R. a..
lJ l J IJ
74
Zjawiska ograniczające pracę systemów WDM
Enn == -J I- R n Emm
dla m == n - l
gdzie: R i , Rj - reflektancja odpowiednio i-tego i j-tego punktowego wtrącenia,
au - strata mocy optycznej między i-tym aj-tym punktowym wtrąceniem, a m - strata
mocy optycznej w segmencie m, Tij - opóźnienie między i-tym aj-tym punktowym
wtrąceniem, nr - współczynnik załamania rdzenia światłowodu, Lk - odległość
między i-tym a j-tym punktowym wtrąceniem oraz c - prędkość światła w próżni.
E11 E22 E33 E44
Wejście I
I Wyjście
I
I
I
I E32
I
I
I E43
E31
E42
E41
I
I
la1
I
I
łr1 I a 2
I
I
łr 2 I a 3
I
I
t3 I
Rys. 3.12. Schemat odbić
od n-punktowych wtrąceń
Podaną zależność można doprowadzić do postaci, w której występują zależności
mocowe, przyjmując P T == E} mamy [3.11]:
Enn (t) == A (t) cos (wc t + c/> (t)),
(3.46)
gdzie: OJ e - pulsacja nośnej, a c/> (t) - szum fazowy.
W wyniku występowania wielokrotnych odbić od punktowych wtrąceń w odbiorniku
pojawia się, obok sygnału użytecznego, szum powodujący pogorszenie bilansu
mocy system.
Zmiana, pogorszenie bilansu mocy systemu powodowana tym zjawiskiem wynosi
[3.11]:
P p = -510g(1-2Q2i a&RiRi) (3.47)
gdzie: Q, R i , Rj, aij - jak w poprzednich zależnościach.
3.4. Zjawisko zdudniania nośnych optycznych
75
Przy założeniu braku strat między punktami odbić i jednakowej reflektancji dla
wszystkich punktów wtrąceniowych, pogorszenie bilansu mocy można przedstawić
w postaci [3.12]:
P p = -510g[1-Q2 n (n-1)R 2 ] (3.48)
Na rysunku 3.13 przedstawiono zależność pogorszenia bilansu mocy systemu (P p )
w funkcji liczby punktów odbić (n).
p p [dB]
4,0
3,5
3,0
2,5
2,0
1,5
1,0
0,5
R = 0,002
R 0,005
0,0 3 4 5 6 7 8 9 n 10
Rys. 3.13. Zmiany bilansu mocy w zależności od liczby punktów odbić w łączu
Wyniki wskazują, że wraz ze wzrostem liczby punktów odbić następuje wyraźne
pogorszenie bilansu mocy systemu. W celu wyeliminowania tego zjawiska należy
ograniczyć liczbę punktowych wtrąceń do łącza optotelekomunikacyjnego, bądź
zapewnić małą wartość poziomu odbić od poszczególnych punktów. Wpływ odbić
na bilans mocy systemu jest do pominięcia przy reflektancji mniejszej od R = 0,005
(R = - 23 dB). Przy stratach występujących między punktami odbić (co ma
w rzeczywistości miejsce) pogorszenie bilansu mocy jest zdecydowanie mniejsze.
Jak już wcześnie wspomniano dla systemów telekomunikacyjnych SDH w zależ-
ności od ich typu maksymalna dopuszczalna wartość reflektancji wynosi - 25 dB
lub - 27 dB [3.1].
3.4. Zjawisko zdudniania nośnych optycznych
Zjawisko zdudniania nośnych optycznych w fotodetektorze może mieć również
wpływ na parametry systemów ze zwielokrotnieniem falowym. Zjawisko to
wynika z równoczesnego odbierania przez fotodetektor sygnałów pochodzących
z różnych kanałów, czyli mówiąc inaczej równoczesnego odbierania różnych
nośnych optycznych (rys. 3.14) i ich mieszania się. W wyniku zjawiska mieszania
optycznego zachodzącego w odbiorniku pojawia się szum zdudnieniowy (ang. OBI
- Optical Beat Interference noise) mający wpływ na parametry systemu op-
totelekomunikacyjnego przez zmniejszenie wartości stosunku sygnału do szumu.
76
Zjawiska ograniczające pracę systemów WDM
Widmo
optyczne
,
:
I
I
I
I
I
I
I
I
ot
,
. .
I
I
I
I
I
I
I
I
I
t FWHM
.
t 1 t 2 t
Rys. 3.14. Widmo optyczne dwóch laserów jednomodowych, których linie widmowe
są oddalone od siebie o 8t, FWHM (ang. Fuli Width at Half Maximum) - szerokość
linii widmowej w połowie wartości maksymalnej
Przy dwóch sygnałach optycznych równocześnie docierających do fotoodbiornika
kanału, prąd fotoelektryczny wynosi [3.13]:
q
li(t) == - {f"liiAiPwvi(t) + f"I 1 'J °oAiXl 'J " (t) +
he .
+ 2 f"liiAiP wyi (t) f"li}AiXi} (t) cos (2n8ft + 8<1»}
(3.49)
gdzie: q, h, c, Xi}' P wyi' A i , Aj, 1]ii, 1]ij - jak we wcześniejszych zależnościach, 8f
- odstęp między sygnałami optycznych w dziedzinie częstotliwości, 8<1> - różnica
fazy między sygnałami optycznymi.
Stosunek sygnału do szumu (SNR) zdudnieniowego jest równy [3.13]:
SNR == m 2 I1fFwHM [ 1 + ( 8f ) 2 ]
8 Be I1fFwHM
przy czym: 8f - jak wyżej, m - wskaźnik modulacji, Be - szerokość pasma
elektrycznego odbiornika, I1fFwHM - szerokość linii widmowej mierzona w połowie
wartości maksymalnej.
Przy występowaniu N nośnych zależność ta ma postać [3.13J:
(3.50)
m 2 I1fFwHM [ 1 + ( 8f ) 2 ]
8 Be I1fFWHM
SNR ==
N-l
(3.51 )
Przykładowo, w celu określenia warunków, przy których uzyskamy stosunek sygnału
do szumu zdudnieniowego o wartości większej od 20 dB korzystamy z zależności
(3.51). Przyjmując, że m == 0,7,l1fFwHM == 10 GHz, 8f == 133 GHz (czyli 8A == 1 nm
w paśmie 1550 nm), otrzymujemy następującą zależność: (N -1)B e < 3,42 GHz.
Na rysunku 3.15 przestawiono zależność stosunku sygnału do szumu zdud-
nieniowego, przy różnicy długości fali od 0,001 nm do 10 nm, dla diody
3.4. Zjawisko zdudniania nośnych optycznych
77
SNR [dB]
80
70
LED
5THz
60
50
40
10 GHz
30
20
Laser SLM
10
o
0,001
0,010
0,100
1000
10000
Różnica długości fali [ nm]
Rys. 3.15. Zmiana wartości SNR w funkcji różnicy długości fali dla LED i lasera
wzdłużnie jednomodowego dla Be = 5 MHz
SNR [dB]
70
10 -
10 GHz
60 -
50 -
40 -
30 -
20 -
'"
Laser SLM
o
0,001 0,010 0,100 1000 10000
Różnica długości fali [ nm]
Rys. 3.16. Zmiana wartości SNR w funkcji różnicy długości fali dla lasera wzdłużnie
jednomodowego dla Be = 80 MHz
elektroluminescencyjnej (ang. LED - Light Emitting Diode) o szerokości widma
równej 5 THz, tj. 40 nm w paśmie 1550 nm i lasera wzdłużnie jednomodowego
(ang. SLM - Single Longitudinal Mode) o I1fFwHM == 1 GHz i 10 GHz. Pozostałe
parametry wynoszą m == 0,7 i Be == 5 MHz. Na rysunku 3.16 pokazano tę samą
zależność dla tych samych parametrów z wyjątkiem szerokości pasma elektrycznego
odbiornika, które jest tu równe 80 MHz.
78
Zjawiska ograniczające pracę systemów WDM
Na rysunku 3.17 przestawiono zależność stosunku sygnału do szumu zdud-
nieniowego w funkcji szerokości linii widmowej lasera wzdłużnie jednomodowego
dla B == 80 MHz i różnicy długości fali 0,8 nm (100 GHz).
SNR [dB]
70
60
50
40
30
20
10
°
0,01 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10 0,12 0,14 0,16 0,18 0,20
f FWHM [nm]
Rys. 3.17. Zmiana SNR w funkcji szerokości linii widmowej lasera wzdłużnie
jednomodowego dla Be = 80 MHz i różnicy długości fali 0,8 nm
Prezentowane wyniki wskazują, że wraz ze wzrostem odległości między nośnymi
(kanałami) wzrasta stosunek sygnału do szumu zdudnieniowego. Dla źródeł światła
o dużej szerokości widma, tj. dla diody LED, wartość ta jest stała w funkcji zmiany
odległości między nośnymi.
Dla odległości większych od około 0,05 nm większą wartość SNR uzyskujemy
dla lasera jednomodowego o I1fFwHM == 1 GHz. Dla lasera o szerokości linii
widmowej równej 10 GHz uzyskanie SNR większego od 20 dB, przy m == 0,7
i Be == 80 MHz, jest możliwe przy różnicy długości fali w paśmie 1550 nm
większej od 0,15 nm. Przy stałej różnicy długości fali stosunek sygnału do
szumu zdudnieniowego maleje wraz ze wzrostem szerokości linii widmowej.
Na opisywane tu zjawisko należy zwrócić uwagę przy systemach ze zwie-
lokrotnieniem falowym o odstępach między kanałami mniejszymi od 100 GHZ
(0,8 nm).
3.5. Zjawiska nieliniowe w systemach WDM
W systemach transmisji przeznaczonych na duże odległości opartych na technice
gęstego zwielokrotnienia z podziałem długości fali w zakresie 1550 nm wykorzys-
tuje się wzmacniacze światłowodowe oparte na włóknie domieszkowanym erbem
EDF A. W tego typu systemach na jakość transmisji zaczynają mieć wpływ
zjawiska nie liniowe zachodzące w światłowodach.
Zjawiska nieliniowe w światłowodach
Jedną z przyczyn występowania efektów nieliniowych w światłowodach jest
zjawisko nieliniowego załamania światła polegające na zależności współczynnika
załamania od natężenia światła. Zjawisko to określane jest jako efekt Kerra.
---
3.5. Zjawiska nieliniowe w systemach WDM
79
Współczynnik załamania zależy od częstotliwości i natężenia światła zgodnie
z następującą zależnością [3.14]:
n ((f), l) n 2 ((f)) + n2/ (3.52)
gdzie n( OJ) - człon liniowy współczynnika załamania, OJ - pulsacja światła,
/ - natężenie światła w światłowodzie, a n2 - nieliniowy współczynnik załamania.
Wartość nieliniowego współczynnika załamania wynosi około 3,2.10- 16 cm 2 fW
[3.15]. Ze względu na to, że promień modu w światłowodzie jest mały (4-6 f.lm),
a jego tłumienność jest mniejsza od l dB/km, to mimo tak małej wartości
nieliniowego współczynnika załamania zjawiska nieliniowe można zaobserwować
we włóknie optycznym nawet już przy niezbyt dużym natężeniu światła.
Miarą nieliniowości jest iloczyn natężenia światła i tzw. skutecznej długości
obszaru oddziaływania (L sk ) określonego zależnością [3.14]:
l-exp( -aL)
LSk
a
(3.53)
przy czym: L - długość światłowodu, a a - jego stała tłumienia.
Efekty nieliniowe w światłowodzie występują, gdy jego długość jest większa od
tzw. długości nieliniowej, którą można wyznaczyć korzystając z następującej
zależności [3.14]:
l
L NL
yPo
(3.54)
gdzie: Po - moc szczytowa impulsu światła, a y - parametr nie liniowości
przyjmujący zwykle wartość od l do 30 W-I km-] [3.15].
Do najważniejszych, z punktu widzenia projektowania i działania systemów
WDM, efektów nieliniowych występujących w światłowodach należy zaliczyć:
- zjawisko mieszania czterofalowego (FWM - Four Wave Mixing);
- skrośną modulację fazy (XPM - Cross Phase Modulation);
- wymuszone rozpraszanie Ramana (SRS - Stimulated Raman Seattering);
- wymuszone rozpraszanie Brillouina (SBS - Stimulated Brillouin Seattering).
Zjawisko mieszania czterofalowego
Zjawisko mieszania czterofalowego polega na tym, że fale o różnych częstotliwoś-
ciach (różnych długościach fal) propagując się w światłowodzie powodują tworzenie
się nowych fal o innych częstotliwościach. Zjawisko to może doprowadzić do:
wystąpienia nieliniowego przesłuchu międzykanałowego w systemach WDM,
zniekształcenia sygnału, straty mocy optycznej oraz fluktuacji polaryzacji propa-
gujących się fal. W procesie mieszania czterofalowego w przypadku trzech fal
(trzech kanałów) o częstotliwościach];, jj i Jk przy czym j k, następuje generacja
fal o częstotliwościach [3.14]:
];jk ]; + jj - h
gdzie: i, j, k przyjmują wartość l, 2 i 3.
(3.55)
80
Zjawiska ograniczające pracę systemów WDM
W wyniku omawianego zjawiska trzy fale powodują wygenerowanie dziewięciu
fal o częstotliwościach ];jk (rys.3.18).
a
.ó.f .ó.f
:
.
f 123 ,213
f 132 ,312
f 231 ,321
f 113
f 221
f 331
f 112 f 223
f 332
f 1 f 2
f3
f
b
.ó.f n
.ó.f m
:
.
f 123 ,213
f 132 ,312
f 231 ,321
f 113
f 112 f 223
f 221
f 332
f 331
f
Rys. 3.18. Zjawisko mieszania czterofalowego przy trzech kanałach o częstotliwości '1,
'2 i '3 i dziewięciu produktach o częstotliwościach f;jk = f;+ - 'k: a) jednakowa odległość
między kanałami, b) niejednakowa odległość między kanałami
W sytuacji, gdy odległości między poszczególnymi kanałami są równe, tj.
!1f == f2 - f] == 11 - f2 jak to pokazano na rys. 3.18a, niektóre produkty mieszania
czterofalowego nachodzą na sygnały użyteczne, co prowadzi do wystąpienia
nie liniowego przesłuchu międzykanałowego i pogorszenia stosunku sygnału do szumu.
Poziom mocy optycznej produktu mieszania o częstotliwości ];jk jest równy [3.16]:
( 1024n 6 ) 2 ( LSk ) 2
PUk == 11 4 2 2 (6X1111) PiPjPkexp( -aL)
n A c ASk
(3.56)
gdzie: x] III - podatność nie liniowa trzeciego rzędu równa 6. 10-]5 cm 3 /erg,
n - współczynnik załamania, A - długość fali, c - prędkość światła, ASk - tzw.
skuteczny przekrój rdzenia światłowodu, P h P.i' Pk - moce optyczne na wejściu
światłowodu w kanałach i, j oraz k, 17 - współczynnik efektywności procesu
mieszania czterofalowego.
--
3.5. Zjawiska nieliniowe w systemach WDM
81
.4
..
2f 1- f 2
2f 2- f 1
.. II<
...
.....
f 1 f 2 f
Rys. 3.19. Zjawisko mieszania czterofalowego przy dwóch kanałach o częstotliwości
f 1 , f 2 powoduje powstanie dwóch produktów o częstotliwości 2f 1 - f 2 oraz 2f 2 - f 1
W przypadku dwóch fal (rys. 3.19) zależność (3.56) przekształca się do postaci
[3.16]:
( 1024n 6 ) 2 ( LSk ) 2 2
P iik == 11 4 2 2 (3Xllll) Pi Pk exp( -aL)
n A c ASk
Liczba powstających produktów mieszania czterofalowego jest równa: 0,5N 2 (N
- 1). W tabeli 3.1 pokazano zależność między liczbą kanałów użytkowych (N),
a liczbą powstałych produktów mieszania czterofalowego (K FWM ).
(3.57)
Tabela 3.1. Liczba powstających produktów mieszania czterofalowego
N 4 5 8 10 16 32
K FWM 24 50 224 450 1920 15872
Efektywność procesu mieszania czterofalowego zależy od odległości między
poszczególnymi kanałami i wartości dyspersji chromatycznej światłowodu. Większa
odległość między kanałami oraz większa wartość dyspersji chromatycznej powoduje
zmniejszenie dopasowania fazowego między oddziaływającymi ze sobą falami, co
w konsekwencji ogranicza występowanie tego niekorzystnego zjawiska.
Na rysunku 3.20 pokazano zmiany efektywności zjawiska mieszania czterofalowego
w zależności od odległości między kanałami w zakresie 1550 nm. Przedstawione
wykresy odnoszą się do światłowodu standardowego o wartości współczynnika
dyspersji 16 ps/km. nm i światłowodu z przesuniętą charakterystyką dyspersji
o wartości dyspersji 1 ps/km. nm.
ro
r::
ro 100
N
W
Q.) ........
.- -;:.R 80 -
E
:JO
wC) 60 -
Q.) Q.)
C,) 3:
00
s...._ 40 -
c..ro
'+-
'C,) o
'00 s.... 20
o Q.)
r::-ł
3: tj O
>-
-ł
O
w
1 ps/(kmonm)
50 100
Odległość między kanałami [GHz]
Rys. 3.20. Efektywność
zjawiska mieszania
czterofalowego w funkcji
odległości między
kanałami
82
Zjawiska ograniczające pracę systemów WDM
Z kolei na rys. 3.21 przedstawia maksymalną, dopuszczalną moc w kanale systemu
WDM w funkcji liczby kanałów przy następujących parametrach systemu WDM:
długość fali A == ] 550 nm, tłumienność światłowodu a == 0,2 dB/km, różnica
częstotliwości między sąsiednimi kanałami I1f == 10 GHz.
1000
g 100 -
ES
E.. 10
-O,)
rn-
1
Cf)rn
3: O, 1
0,01
1
I
Rys. 3.21. Zależność
maksymalnej mocy
w kanale w funkcji liczby
kanałów; ograniczenie
spowodowane
mieszaniem
czterofalowym
10
100 1000
Liczba kanałów
Istnieje kilka metod ograniczenia wpływu mieszania czterofalowego na działanie
systemu. Jedną z nich jest nierównomierne rozmieszczenie kanałów w systemie WDM;
wadą tego rozwiązania jest jednak wzrost wykorzystywanego pasma optycznego.
Zn1niejszenie efektywności zjawiska mieszania czterofalowego można również
uzyskać przez zastosowanie światłowodów z przesuniętą niezerową charakterystyką
"
dyspersji. Swiatłowody te charakteryzują się współczynnikiem dyspersji na poziomie
kilku ps/nm . km, co zmniejsza efekt działania tego zjawiska jak i nie ogranicza
przepływności oraz zasięgu systemu WDM. Jako przykład światłowodów z przesuniętą
niezerową charakterystyką dyspersji można podać włókna LEAF firmy Coming, czy
też True Wave firmy Lucent Technologies. Wadą tego rozwiązania jest konieczność
tworzenia nowej infrastruktury i położenie w ziemi nowych kabli światłowodowych, co
jest rzeczą bardzo kosztowną. O wiele tańszą metodą eliminacji negatywnego wpływu
mieszania czterofalowego jest technika zwana zarządzaniem dyspersją. W technice tej
wykorzystuje się istniejące linie światłowodowe zbudowane z włókien standardowych.
Dołączając odcinek światłowodu kompensującego dyspersję o odpowiedniej długości
możemy spowodować, że łączna dyspersja na końcu traktu optycznego będzie bliska
zeru, dzięki zaś dużemu co do modułu współczynnikowi dyspersji chromatycznej
łączonych światłowodów, poziom mocy produktów mieszania będzie mały.
Skrośna modulacja fazy
Przez pojęcie skrośnej modulacji fazy określa się nieliniowe przesunięcie fazy pola
optycznego, powodowane przez rozchodzące się pole przy niejednakowych
długościach fali. Przesunięcie fazy fali danego kanału zależy nie tylko od mocy
optycznej w danym kanale (zjawisko samomodulacji fazy SPM - Self Phase
Modulation), ale również od mocy w innych kanałach. Przesunięcie fazy mające
miejsce w kanale można określić zależnością [3.17J:
<Pi == ( Y )( P;+2 tPm )
a rn -:::/:- l
(3.58)
...
3.5. Zjawiska nieliniowe w systemach WDM
83
-
y==
A
2n n2
ASk
(3.59)
gdzie a, A, ASb n2 - jak w poprzednich zależnościach, N - liczba kanałów,
Pm - moc optyczna w kanale m, Pi - moca optyczna w kanale i. Wartość y jest
zwykle na poziomie 1 W -) . km - ) .
W wyniku przesunięcia fazy następuje poszerzenie widma optycznego sygnału
w danym kanale. Poszerzenie to można oszacować w następujący sposób [3.18]:
( n 2 L sk ) dP
L\v == 2
AAsk dt
(3.60 )
Nieliniowe przesunięcie fazy dla systemów z modulacją natężenia światła i detekcją
bezpośrednią (ang. IM/DD - Intensity ModulationlDirect Detection) zależy od
sekwencji bitów występujących w kanałach i może ulegać zmianie od zera do
wartości maksymalnej, która przy założeniu jednakowej mocy w kanałach jest
równa [3.17]:
<l>imax = ( : ) (2N -1) P /II
(3.61)
Omawiane zjawisko jest szczególnie niebezpieczne w przypadku koherentnych
systemów WDM; gdzie wymagana jest bardzo duża stabilność fazy. Wpływ efektu
skrośnej modulacji fazy na parametry koherentnych systemów WDM można uznać
za zaniedbywalnie mały, gdy jest spełniony następujący warunek [3.17]:
( : ) (2N - 1) P /II « l
(3.62)
W koherentnych systemach WDM moc optyczna w poszczególnych kanałach
ulega pewnej fluktuacji powodowanej przez obecność szumu. Skrośna modulacja
fazy przekształca zmiany natężenia światła na zmiany fazy. Wariancję fluktuacji
fazy u 2 można przedstawić w następującej postaci [3.17]:
( 2 y )
Ci<l> = Cip-JN
(3.63)
gdzie u 2 p - wariancja fluktuacji mocy optycznej.
Wariancja fluktuacji mocy optycznej jest zwykle na poziomie 5 . 10- 3 . Pm, gdzie
P m - moc optyczna w kanale m; przyjmując Pm == 1 00 mW i liczbę kanałów
N == 100 otrzymujemy, że up == O, l rad. Przy takiej wartości przesłuch między-
kanałowy jest zaniedbywalnie mały. Znacznie większy poziom tego zjawiska może
występować w systemach z modulacją kąta, tj. modulacją częstotliwości i modulacją
fazy, którym towarzyszy szczątkowa modulacja amplitudy. W tym przypadku, jak
i w przypadku wystąpienia konwersji modulacji częstotliwości na modulację
amplitudy spowodowanej dyspersją chromatyczną światłowodu, wartość fluktuacji
mocy może osiągnąć poziom nawet 0,2. P m. Przy takiej wartości zmian mocy
84
Zjawiska ograniczające pracę systemów WDM
uzyskanie pogorszenia bilansu mocy na poziomie mniejszym od l dB wymaga tego,
aby średnia moc optyczna we wszystkich kanałach była mniejsza od 21/N [mW] (N
- liczba kanałów) [3.19]. Na rysunku 3.22 przedstawiono zależność między
maksymalną dopuszczalną mocą przypadającą na jeden kanał od liczby kanałów przy
uwzględnieniu zjawiska skrośnej modulacji fazy przy następujących parametrach
koherentnego systemu WDM: długość fali A == ] 550 nm, tłumienność światłowodu
a == 0,2 dB/km, różnica częstotliwości między sąsiednimi kanałami!1f == 10 GHz.
1000
u
100
E.. 10
-(1)
m-
E m 1
>.c
Cf)m
3: 0,1
0,01
1
10
100 1000
Liczba kanałów
Rys. 3.22. Zależność
maksymalnej mocy
w kanale, dla systemu
koherentnego, w funkcji
liczby kanałów
w przypadku
występowania zjawiska
skrośnej modulacji fazy
Podstawowym sposobem ograniczenia negatywnego wpływu na pracę systemu
skrośnej modulacji fazy jest odpowiedni dobór odległości międzykanałowej. Przy
mocy w kanale równej 5 mW zjawisko to można uznać za zaniedbywalnie małe, gdy
odległość między kanałami wynosi 100 GHz. Inną metodą ograniczenia tego zjawiska
jest zastosowanie w trakcie optotelekomunikacyjnym kompensacji dyspersji.
Wymuszonerozprnszanrenreems czne
W wyniku wymuszonego rozpraszania nieelastyczne w ośrodku nieliniowym
(światłowodzie) powstają fale świetlne przesunięte względem fali padającej, czy
też inaczej mówiąc fali pompującej, o pewną częstotliwość (rys. 3.23).
Natężenie
światła
Fala powstała w wyniku
rozpraszania Rayleigha (fo)
Fala pompująca (fo)
/
Fala powstała
w wyniku rozpraszania
Brillouina (fo - ts)
\
Fala powstała w wyniku
rozpraszania Ramana (to + f R )
Fala powstała
w wyniku rozpraszania
Ramana (fo + t R )
Częstotliwość
Rys. 3.23. Schematyczne przedstawienie lokalizacji w dziedzinie częstotliwości fal
powstałych w wyniku rozpraszania: Rayleigha, Ramana i Brillouina; fo - częstotliwość
fali pompującej, fa - przesunięcie fali powstałej w wyniku rozpraszania Brillouina
względem fo, f R - przesunięcie fali powstałej w wyniku rozpraszania Ramana względem fo
-
3.5. Zjawiska nieliniowe w systemach WDM
85
Wymuszone rozpraszanie Ramana
Przyczyną rozpraszania Ramana jest oddziaływanie zachodzące między falą światła,
a drganiami cząsteczek szkła. Padająca fala świetlna zamieniana jest na falę
o większej długości (fala Stokesa), falę o mniejszej długości fali (fala anty-Stokesa)
i kwant energii drgań cząsteczki. Pala Stokesa i anty-Stokesa jest przesunięta
względem fali pompującej o częstotliwość równą częstotliwości drgań cząsteczek
szkła; częstotliwość ta (fR) wynosi zwykle kilkanaście THz. Pala Stokesa jest
zwykle znacznie silniejsza od fali anty-Stokesa. Generacja promieniowania
rozproszonego zachodzi w kierunku zgodnym z kierunkiem rozchodzenia się fali
pompującej jak i przeciwnym. Widmo wzmocnienia Ramana w światłowodzie
krzemionkowym (kwarcowym) ma szerokość rzędu kilkunastu THz. Maksymalna
wartość współczynnika wzmocnienia dla fali o długości 1550 nm wynosi około
7 .10- 12 cm/W [3.14].
Wymuszone rozpraszanie Ramana występuje wówczas, gdy natężenie fali pompu-
jącej przekroczy pewien poziom progowy, który określa się następującą zależnością
[3.19]:
a
I r 16-
gR
(3.64 )
gdzie: a - stała tłumienia światłowodu, a gR - współczynnik wzmocnienia Ramana.
W systemach jednokanałowych wpływ zjawiska rozpraszania Ramana na pracę
systemu można pominąć. W systemach wielokanałowych zaczyna jednak odgrywać
bardzo istotną rolę, ponieważ w jego wyniku fale o mniejszych długościach
a
Kanał 1
1
o
I I I I
I I
I I
Kanał 2
1
o
I I
I I
n
A l < A2
b
Kanał 1
1
o
I I
I I
1
I I
I I
n
Al < A2
Kanał 2
o
Rys. 3.24. Poziom mocy optycznej w dwukanałowym systemie ze zwielokrotnieniem
falowym: a) bez uwzględnienia zjawiska wymuszonego rozpraszania Ramana,
b) z uwzględnieniem zjawiska wymuszonego rozpraszania Ramana, A1 - długość
fali kanału 1, A2 - długość fali kanału 2
86
Zjawiska ograniczające pracę systemów WDM
powodują wzmocnienie fal o większych długościach. Zmiany mocy optycznej
w systemie dwukanałowym wywołane omawianym zjawiskiem przedstawiono na
rys. 3.24.
Silne, wzajemne oddziaływanie między kanałami, wynikające z rozpraszania
Ramana, zachodzi wtedy, gdy odległości między tymi kanałami jest bliska 100 nm.
Wzmocnienie mocy optycznej światła w jednym kanale kosztem drugiego kanału
może zachodzić tylko wówczas, gdy w obu kanałach równocześnie występuje
jedynka logiczna (rys. 3.24). W rezultacie rozpraszania Ramana w pierwszym
kanale następuje pogorszenie stosunku sygnału do szumu, a w drugim kanale
następuje wzmocnienie mocy optycznej dla niektórych bitów (niekorzystne
w przypadku stosowania odbiorników z tzw. automatyczną kontrolą wzmocnienia).
W systemie, w którym występuje N kanałów równomiernie oddalonych od siebie
uzyskanie pogorszenia bilansu mocy systemu na poziomie mniejszym od l dB jest
możliwa przy spełnieniu warunku [3.19]:
N(N-1)P!1f< 500 GHz. W
(3.65)
gdzie: P - moc optyczna w kanale, !1f - różnica częstotliwości między sąsiednimi
kanałami.
Ze wzoru (3.65) wynika, że w celu ograniczenia omawianego zjawiska do
poziomu, przy którym nie wpływa na jakość pracy systemu WDM iloczyn
całkowitej mocy optycznej w światłowodzie i szerokości widma optycznego musi
być mniejszy od 500 GHz . W.
Na rysunku 3.25 pokazano zależność między maksymalną dopuszczalną mocą
przypadającą na jeden kanał w funkcji liczby kanałów przy następujących
parametrach systemu WDM: długość fali A == 1550 nm, tłumienność światłowodu
a == 0,2 dB/km, różnica częstotliwości między sąsiednimi kanałami !1f == 10 GHz.
Na podstawie rys. 3.25 można stwierdzić, że dla kilku kanałów (do około 10)
dopuszczalna moc zmniejsza się jak l/N wraz ze wzrostem liczby kanałów. Wraz
ze wzrostem liczby kanałów następuje wzrost szerokości zajmowanego widma
optycznego i wzrasta oddziaływanie między kanałami, co w konsekwencji prowadzi
do tego, że maksymalna dopuszczalna moc przypadająca na jeden kanał zmienia
się jak 1/N 2 [3.191
1000
100
()
o..........
E 10
mE
c........
-Q)
m-
E m 1
>.c
Cf)m
3: 0,1
0,01
1
10
100 1000
Liczba kanałów
Rys. 3.25. Zależność
mocy maksymalnej
w kanale w funkcji liczby
kanałów w przypadku
występowania zjawiska
wymuszonego
rozpraszania Ramana
-----
3.5. Zjawiska nieliniowe w systemach WDM
87
Podstawowym sposobem minimalizacji wpływu na parametry systemów WDM
zjawiska wymuszonego rozpraszania Ramana jest zmniejszenie mocy optyczneJ
w poszczególnych kanałach.
Wymuszone rozpraszanie Brillouina
Wymuszone rozpraszanie Brillouina polega na oddziaływaniu w światłowodzie fali
światła i fali akustycznej. Powoduje to przesunięcie częstotliwości i odwrócenie
kierunku rozchodzenia się fali światła. Padająca fala świetlna jest zamieniana na
falę o większej długości (fala Stokesa) i fonon akustyczny. W przeciwieństwie do
rozpraszania Ramana, w którym to główną rolę odgrywają właściwości oddzielnych
cząsteczek szkła, z którego jest zbudowany światłowód, w rozpraszaniu Brillouina
podstawową rolę odgrywają właściwości całego ośrodka, w którym rozchodzi się
światło. Dla wymuszonego rozpraszania Brillouina widmo wzmocnienia optycznego
jest stosunkowo wąskie (ma ono szerokość około 20 MHz dla fali pompującej
o długości 1550 nm) i zmienia się odwrotnie proporcjonalnie do kwadratu długości
fali pompującej. Wartość współczynnika wzmocnienie jest równa od około 4 . 10- 9
do 6 . 10- 9 cm/W i jest o ponad dwa rzędy wielkości większa od współczynnika
wzmocnienia dla rozpraszania Ramana [3.14].
Natężenie progowe rozpraszania Brillouina wyraża się następującą zależnością
[3.19]:
a
I r 21-
gB
gdzie a - stała tłumienia światłowodu, a gB - współczynnik wzmocnienia Brillouina.
Generowane podczas rozpraszania Brillouina rozproszone światło rozchodzące się
w kierunku przeciwnym do kierunku propagacji fali pompującej jest przesunięte
w stronę niższych częstotliwości o wartość [3.19]:
(3.66 )
JB ==
2nu
A
(3.67)
gdzie: n - współczynnik załamania światła w światłowodzie, u - prędkość fali
akustycznej w światłowodzie, a A - długość fali pompującej. Przesunięcie w stronę
niższych częstotliwości (f B) wynosi zwykle kilka lub kilkanaście GHz. Dla
A == 1550 nm przesunięcie to jest równe około 11 GHz.
W przypadku systemów jednokanałowych krytyczny poziom mocy optycznej,
którego przekroczenie wiąże się z pogorszeniem parametrów systemu WDM
wynosi [3.19]:
2lA sk
p == (3.68)
m gBL sk
gdzie: Asb LSk i gB jak w poprzednich zależnościach.
Poziom mocy optycznej, poniżej którego brak jest wpływu rozpraszania Brillouina
na parametry systemu WDM wynosi około 7 mW [3.19].
88
Zjawiska ograniczające pracę systemów WDM
W przypadku systemów wielokanałowych, każdy z kanałów oddziałuje ze
światłowodem niezależnie od innych kanałów; powoduje to, że dopuszczalna,
maksymalna moc przypadająca na kanał jest stała i niezależna od ich liczby (rys.
3.26).
1000
g 1 00 -
ES:
E.. 10-
-Q)
m-
E m 1 -
>.c
Cf)m
0,1-
0,01
1
I
100 1000
Liczba kanałów
Rys. 3.26. Zależność maksymalnej mocy w kanale w funkcji liczby kanałów w przypadku
występowania zjawiska wymuszonego rozpraszania Brillouina; długość fali
A = 1550 nm, tłumienność światłowodu a = 0,2 dB/km, różnica częstotliwości między
sąsiednimi kanałami !1f = 10 GHz
10
Wpływ rozpraszania Brillouina na parametry systemu WDM zależy także od
rodzaju modulacji światła i stosunku B/!1(f)B, gdzie B - przepływność binarna,
a !1(f)B - szerokość pasma wzmocnienia rozpraszania Brillouina.
Wraz ze wzrostem przepływności binarnej sygnału, ze względu na jego dużą
szerokość widma optycznego, wzmocnienie Brillouina maleje. Przy bezpośredniej
modulacji lasera, ze względu na występowanie zjawiska chirpu, uzyskujemy
dodatkową redukcję tego zjawiska.
Dalej przedstawiono oszacowanie poziomu wzmocnienia Brillouina w koherentnych
systemach WDM przy różnych sposobach modulacji światła (bez uwzględnienia
zjawiska chirpu).
Dla modulacji opartej na kluczowaniu amplitudy (ang. ASK - Amplitude Shift
Keying) wzmocnienie Brillouina jest równe [3.19]:
g = gB[ ( ] - r + : (] - B (l - exp ( - ;R )))]
(3.69)
l
gdzie: gB, B, !1(f)B - jak wyżej, a = 1-(I-k a Y2; przy czym ka głębokością
modulacji.
Najmniejszą wartość wzmocnienia Brillouina uzyskujemy przy 100% głębokości
modulacji. Dla takiej głębokości modulacji przy:
małej przepływności binarnej g = gB ,
2
d . . ł " . gB
uzeJ przep ywnoscl g = -.
4
-- --
3.5. Zjawiska nieliniowe w systemach WDM
89
W systemach, w których wykorzystuje się kluczowanie fazy (ang. PSK - Phase
Shift Keying) wzmocnienie Brillouina wynosi [3.191:
g = gR [ (1 +cosk p ) + l -cosk p ) (l - :R (l -ex p ( _ ;B )))]
(3.70)
gdzie kp - przesunięciem fazy.
Dla kluczowania fazy minimalne wzmocnienie jest najmniejsze przy kp == n (2n + l),
gdzie n - liczba naturalna. Dla dużych przepływności wzmocnienie maleje liniowo
i proporcjonalnie do BI I1w B.
Dla kluczowania z przesuwem częstotliwości (FSK - Frequency Shift Keying)
wzmocnienie Brillouina jest równe [3.19]:
g == gB [ - B ( l-ex p ( - B ))]
2 411m B 11m B
W przypadku tej modulacji wzmocnienie Brillouina zmienia się w funkcji Bll1w B
podobnie jak dla kluczowania z przesuwem amplitudy (rys. 3.27).
(3.71 )
Q) O
c
Q) -2
c.....-. -4
um
0"'0
E -6
N CCI
3: -8 ASK i FSK
Q) O)
c co -10
co c
3: . :1 -12
o o
. N = -14
- L-
E m -16
L-
o -18
c
N -20
O, 1 1 BI wB 1 O
Rys. 3.27. Wartość znormalizowanego wzmocnienia Brillouina w funkcji stosunku
przepływności binarnej (B) do szerokości widma optycznego promieniowania
pompującego ( roB) W koherentnym systemie WDM
Podstawowym sposobem ograniczenia zjawiska wymuszonego rozpraszania Brilloui-
na w systemach WDM jest zwiększenie progu wystąpienia tego zjawiska przez
bezpośrednią modulacje lasera sygnałem sinusoidalnym o małej częstotliwości,
pozwalającą na poszerzenie szerokości widmowej sygnału emitowanego przez laser,
co w konsekwencji prowadzi do zmniejszenia mocy zawartej w widmie wzmocnie-
nia Brillouina i poszerzenia szerokości widmowej generowanego sygnału. Przy
szerokości linii widmowej lasera mniejszej od 38 MHz moc progowa, przy której
wystąpi rozpraszanie Brillouina wynosi 20 mW; zwiększenie szerokości linii
widmowej do 100 MHz podnosi wartość mocy progowej do ok. 1 00 mW. Ponadto
zastosowanie indeksu modulacji na poziomie niższym niż 2% daje czterokrotne
zwiększenie progu wzbudzenie rozpraszania.
90
Zjawiska ograniczające pracę systemów WDM
Tabela 3.2. Wpływ zjawisk nieliniowych na system WDM
Nazwa Wpływ Sposób Dopuszczalna
wyeliminowania moc optyczna Uwagi
zjawiska na transmisję zjawiska w kanale
Mieszanie 1) Przesłuch po- 1) Zwiększenie Dopuszczalna
czterofalowe wodowany odległości mię- moc w kanale ma-
przez produkty dzy kanałami leje wraz ze
zjawiska inter- 2) Użycie światło- 2 mW przy 10 " .
zmniejszeniem
modulacji wodów o dużej kanałach odległości między
2) Przesłuch bez- wartości kanałami
pośredni mię- współczynnika
dzykanałowy dyspersji chro-
3) Straty mocy matycznej
3) Zastosowanie-
światłowodów
z przesuniętą
charakterysty-
ką dyspersji
. .
o niezerowej
wartości dys-
persji chroma-
tycznej
4) Nierównomier-
ne rozmiesz-
czenie kanałów
Rozpraszanie 1) Straty mocy Poszerzenie sze- Maksymalna moc
Brillouina 2) Przesłuch mię- rokości widmowej 7mW w kanale jest stała
dzykanałowy sygnału emitowa- w funkcji liczby ka-
nego przez laser nałów
realizowane przez
bezpośrednią mo-
dulację lasera
Rozpraszanie 1) Straty mocy Zmniejszenie mo- 1) Do około 1 O
Ramana 2) Przesłuch mię- cy optycznej w po- kanałów dopu-
dzykanałowy szczególnych ka- szczalna moc
nałach systemu w kanale
WDM 100 mW przy . . .
zmniejsza Się
1 O kanałach jak 1/N (N - li-
czba kanałów)
2) Wraz ze wzro-
stem liczby ka-
nałów wzrasta
oddziaływanie
między nimi,
co w konsek-
wenCJI prowa-
dzidotego,że
maksymalna
dopuszczalna
moc przypada-
jąca na jeden
kanał zmienia
się jak 1/N 2
3.5. Zjawiska nieliniowe w systemach WDM
91
Tabela 3.2. cd.
Skrośna mo- Ograniczenie mo- 1) Zmniejszenie 1) W systemie
dulacja fazy cy w przypadku mocy optycz- koherentnym
systemu koheren- neJ w poszcze- z modulacją
tnego z modulacją gólnych kana- fazy oddziały-
fazy łach systemu wanie na fazę
WDM 6 mW przy 10 sygnału jest
2) Zwiększenie kanałach proporcjonal-
odległości ne do liczby
między kana- kanałów (N)
łami 2) Dopuszczalna
3) Zastosowanie moc na jeden
kompensacji kanał musi być
dyspersji mniejsza od
21/N [mW]
Niestabilność modulacji
Niestabilność modulacji (ang. modulation instability) jest obserwowalna w zakresie
współczynnika dyspersji przyjmującej wartości dodatnie (dyspersja anormalna),
gdzie quasi-monochromatyczny sygnał w sposób spontaniczny generuje w widmie
sygnału dwie symetrycznie położone wstęgi boczne. Odległość między nimi oraz
ich wzmocnienie określone jest przez: poziom natężenia sygnału, wartość dyspersji
chromatycznej światłowodu i parametr nieliniowości. Powstałe wstęgi boczne
oddalone są od nośnej o odległość równą [3.] 4]:
[ 8rc 2 cn P ] 1/2
f2 ==+ 2 o
max - A 3AskD
gdzie: A, ASh n2, c, D jak w poprzednich zależnościach, Po - moc optyczna na
wejściu światłowodu.
Wzmocnienie produktów tego zjawiska jest równe [3.14]:
4rcP u
g==
AAsk
(3.72)
(3.73)
Zjawisko niestabilności modulacji można potraktować jako pewien szczególny
przypadek zjawiska mieszania czterofalowego. Niestabilność modulacji może
powodować pogorszenie stosunku sygnału do szumu. Maksymalne pogorszenie
jakości sygnału występuje przy dużych wartościach wzmocnienia (g) i dla
f2 zbliżonej do szerokości pasma sygnału.
Występowanie tego efektu można ograniczyć przez zmniejszenie poziomu mocy
wprowadzonej do światłowodu oraz przez zwężenie szerokości widma sygnału,
które można uzyskać w wyniku stosowania zewnętrznej modulacji światła
w nadajniku optycznym.
W tabeli 3.2 zestawiono zjawiska nieliniowe mające wpływ na jakość transmisji
w systemach ze zwielokrotnieniem falowym [3.20, 3.2]]. Przedstawiono w niej
92
Zjawiska ograniczające pracę systemów WDM
nazwę zjawiska, jego efekt, dopuszczalną moc optyczną w kanale, przy której
wpływ zjawiska na parametry systemu są pomijalnie małe i sposób jego
wyeliminowania. Przyjęto następujące parametry systemu WDM: długość fali
A = 1550 nm, tłumienność światłowodu a = 0,2 dB/km, różnica częstotliwości
między sąsiednimi kanałami f1j = ] O GHz.
3.6. Ograniczone pasmo optyczne
Poszerzenie wykorzystywanego pasma optycznego
Na rysunku 3.28 przedstawiono najczęściej obecnie wykorzystywane zakresy
długości fali, czyli tzw. pasma optyczne.
a [dB/km]
10
1
s C L
0,1
800 1 000 1200 1400 1600
Długość fali [nm]
Rys. 3.28. Pasma optyczne S, C i L w światłowodzie telekomunikacyjnym
Obecnie mamy zdefiniowanych sześć pasm optycznych. Są to [3.9J:
l. Pasmo O (ang. Original band): od 1260 nm do 1360 nm.
2. Pasmo E (ang. Extended band): od 1360 nm do 1460 nm.
3. Pasmo S (ang. Short wavelength band): od 1460 nm do 1530 nm.
4. Pasmo C (ang. Conventional band): od 1530 nm do 1565 nm.
S. Pasmo L (ang. Long wavelength band): od ]565 nm do 1625 nm.
6. Pasmo U (ang. Ultra-Iong wavelength band): od 1625 nm do 1675 nm.
Podstawowym pasmem wykorzystywanym w systemach WDM jest pasmo C.
Rozszerzenie zakresu wykorzystywanych długości fali o pasmo L pozwoli
na dodanie do istniejących obecnie systemów dodatkowo ponad 50 kanałów
[3.22]. Wykorzystanie tego pasma wymaga wprowadzenia do powszechnego
użycia wzmacniaczy optycznych obejmujących te dodatkowe długości fal. Proces
wzmacniania sygnału WDM pracującego równocześnie w paśmie C i L odbywa
3.7. Dyspersja chromatyczna i polaryzacyjna
93
się w ten sposób, że kanały z obu pasm są rozdzielane i wprowadzane na wejście
osobnych wzmacniaczy, obsługujących pasmo C i L.
Po wzmocnieniu sygnały z obu pasm są multipleksowane. Podstawową wadą
zastosowania pasma L jest wzrost kosztów związanych z zastosowaniem nowych
wzmacniaczy na to pasmo, a także możliwość silnego uwidocznienia się zjawiska
rozpraszania Ramana.
Z drugiej strony mamy pasmo S. Jednak jednym z głównych problemów
pojawiających się przy wykorzystaniu tego pasma jest brak odpowiednich
wzmacniaczy optycznych. Wydaje się, że problem ten można rozwiązać na dwa
sposoby. Możemy zastosować albo wzmacniacz Ramana, albo wzmacniacz
światłowodowy domieszkowany tulem. Kolejny problem to dość wysokie koszty
źródeł światła na zakres długości fali obejmujący pasmo S.
Zwiększenie pasma optycznego można również uzyskać przez zastosowanie włókien
typu AllWave firmy Lucent Technologies. Włókna te są pozbawione wysokiego
piku tłumienia w rejonie długości fali 1380 nm. Pozwala to na rozszerzenie zakresu
długości fal używanych do transmisji o dalsze 100 nm, w porównaniu z klasycznymi
włóknami optycznymi. Rozwiązanie to jednak ma sens jedynie w przypadku
budowy nowej infrastruktury światłowodowej.
Zmniejszenie odległości między kanałami
Stosowane obecnie odległości między kanałami w systemie WDM typowo wynoszą
25 GHz (0,2 nm), 50 GHz (0,4 nm) i 100 GHz (0,8 nm). Zmniejszenie odległości
między kanałami pociąga za sobą konieczność uwzględnienia efektów nieliniowych,
wśród których na pierwszym miejscu należy wymienić zjawisko mieszania
czterofalowego. Zmniejszenie odległości między kanałami wprowadza większe
wymagania na stabilność parametrów widmowych źródeł światła i elementów
filtrujących; co wiąże się ze wzrostem kosztów.
3.7. Dyspersja chromatyczna i polaryzacyjna
Ograniczenia pracy systemów optotelekomunikacyjnych związane ze zjawiskiem
dyspersji chromatycznej i polaryzacyjnej nie są specyficzną cechą systemów
wielokanałowowych, ale odnoszą się do wszystkich systemów transmisji światło-
wodowej. Na dyspersję polaryzacyjną należy zwrócić szczególną uwagę przy
analizie pracy systemów o przepływnościach większych od 10 Gbit/s. Spośród tych
dwóch typów dyspersji dyspersja chromatyczna nie stanowi aż tak poważnego
problemu ze względu na fakt, że jej wartość można w stosunkowo prosty sposób
określić (istnieje kilka metod pomiarowych) i co ważne od wielu lat prowadzi się
prace nad opracowaniem technik umożliwiających skuteczne ograniczenie jej
wpływu na jakość transmisji. Duży problem stanowi jednak dyspersja polaryzacyjna,
która ma naturę statystyczną (w przeciwieństwie do deterministycznej natury
dyspersji chromatycznej). Jej wartość potrafi zmieniać się w czasie pod wpływem
94
Zjawiska ograniczające pracę systemów WDM
zmian czynników zewnętrznych. W związku z tym trudno jest opracować proste
rozwiązania umożliwiające jej pełną kompensację (patrz rozdz. II).
3.7.1. Dyspersja chromatyczna
Dla pojedynczego kanału ograniczenie związane z dyspersją chromatyczną można
oszacować na podstawie prostej zależności [3.23, 3.24]:
B 2 DL < 10 5 (3.74)
przy czym B - przepływność wyrażona w Gbit/s, współczynnik D w ps/nm. km,
a L w km.
Przy tej zależności zakłada się, że w systemie wykorzystuje się modulator
zewnętrzny (co pozwala na zaniedbanie zjawiska chirpu), zakłada się także, że
szerokość linii widmowej źródła jest bliska co do wartości B. W tabeli 3.3
pokazano zakresy transmisji dla światłowodu standardowego przy trzech różnych
przepływnościach.
Tabela 3.3. Zasięgi transmisji dla światłowodu standardowego przy różnych
przepływnościach
2,5 GbitJs 10 GbitJs 40 GbitJs
Maksymalna dyspersja
[ps/nm] 16000 1000 60
Maksymalny zasięg
transmisji dla światłowo-
du standardowego [km] 941,2 58,8 3,5
Dyspersja [psIn m]
1000
200
/
/
/
/
/
/
/
SMF NZDSF //
/
/
/
/
/
/
/
/
/
/
/
/
/
/
/
/
800
600
400
200
400
600 Odległość [km]
Rys. 3.29. Zasięg transmisji dla 10 GbitJs dla światłowodu SMF i NZDSF
3.7. Dyspersja chromatyczna i polaryzacyjna
95
Na rysunku 3.29 pokazano zasięg transmisji przy przepływności 10 Gbit/s dla
traktu zbudowanego ze światłowodu standardowego (SMF) i z przesuniętą niezerową
charakterystyką dyspersji (NZDSF).
Zwiększenie zasięgu transmisji wymaga zastosowania specjalnych rozwiązań
technicznych. Rozwiązania te można podzielić na trzy podstawowe grupy. Grupa
pierwsza to rozwiązania polegające na wprowadzeniu do toru op to telekomunikacyj-
nego elementów zmieniających jego właściwości propagacyjne, tj. światłowody
kompensujące dyspersję, elementy optyczne dokonujące inwersji widma przesyła-
nego sygnału, technika zarządzania dyspersją (patrz rozdz. II). Grupa druga to
techniki pozwalające na zmniejszenie szerokości linii widmowej, zaliczyć do niej
można zewnętrzną modulację światła. Do trzeciej grupy zaliczamy systemy
transmisyjne wykorzystujące określone właściwości medium transmisyjnego jakim
jest światłowód. Do tej grupy należy transmisja solitonowa i metoda transmisji
oparta na wykorzystaniu zjawiska konwersji modulacji częstotliwości światła na
modulację amplitudy.
Zmniejszenie szerokości linii widmowej
Bezpośrednia modulacja lasera półprzewodnikowego powoduje wystąpienia zjawiska
chirpu (migotania), którego następstwem jest zwiększenie szerokości linii widmowej
lasera. Rozszerzenie linii widmowej spowodowane chirpem można ograniczyć
kilkoma sposobami. Jednym ze sposobów jest zwiększenie prądu wstrzykiwania lasera
powyżej wartości progowej do punktu, w którym szerokość linii widmowej osiąga
minimum. Rozwiązanie to prowadzi jednak do redukcji wartości współczynnika
ekstynkcji. Zmniejszenie chirpu można zrealizować przez odpowiednie kształtowanie
prądu modulującego. Okazuje się, że poszerzenie linii widmowej można zmniejszyć
kształtując krawędź przednią impulsu prądu wstrzykiwania lasera. Realizuje się to
przez zastosowanie tzw. "przedimpulsu" o małej amplitudzie i o czasie trwania
równym okresowi drgań relaksacyjnych. Dzięki wprowadzeniu "przedimpulsu"
o małej amplitudzie, wartość skuteczna oscylacji gęstości nośników można zmniejszyć
nawet trzykrotnie. Bardziej skomplikowane ukształtowanie impulsu prądu pozwala na
jeszcze większą redukcję. Inną metodą pozwalającą na ograniczenia zjawiska
migotania jest stabilizacja długości fali za pomocą tzw. techniki wstrzykiwania [3.25].
W technice stabilizacji długości fali za pomocą wstrzykiwania wykorzystuje się
wzajemnie sprzężone optycznie dwa lasery. Jeden z nich jest to tzw. laser
nadrzędny (ang. master), a drugi jest tzw. laserem podporządkowanym (ang.
slave). Długość fali, przy której występuje oddziaływanie elementu nadrzędnego
i podporządkowanego zwykle dopasowuje się za pomocą przestrajania obu laserów
przez zmianę temperatury. Podstawowym parametrem pozwalającym na ocenę
zmniejszenia efektu chirpu w rozwiązaniu tego typu jest tzw. zakres chwytania.
Jest to zakres w jakim częstotliwość własna lasera podporządkowanego może być
przestrajana, pozostając nadal podporządkowana częstotliwości oscylatora nad-
rzędnego. Zakres chwytania stanowi miarę jak wielki chirp długości fali można
wyeliminować za pomocą techniki wstrzykiwania [3.25].
96
Zjawiska ograniczające pracę systemów WDM
Zewnętrzna modulacja światła
Sposobem na wyeliminowanie efektów związanych z bezpośrednią modulacją
lasera jest przeniesienie procesu modulacji światła poza samo źródło światła.
Realizuje się to przez zastosowania modulatora zewnętrznego i lasera pracującego
na fali ciągłej. Najczęściej stosowane są modulatory elektroabsorpcyjne i inter-
ferencyjne (przede wszystkim interferometry Macha-Zehndera). Okazuje się jednak,
że takie rozwiązanie charakteryzuje się występowaniem szczątkowego chirpu,
które jest jednak znacznie mniejsze niż w przypadku modulacji bezpośredniej.
W przypadku modulatora elektroabsorpcyjnego chirp jest spowodowany zmianą
opóźnienia fali optycznej w modulatorze; ma jednak przeciwny znak do chirpu,
który występuje przy bezpośredniej modulacji w laserze o rozłożonym sprzężeniu
zwrotnym. Łącząc laser z takim modulatorem i sterując odpowiednio powstałym
układem można zjawisko chirpu skompensować.
Konwersja modulacji częstotliwości światła na modulację amplitudy
z wykorzystaniem metod interferometrycznych
W systemach, których działanie oparte jest na konwersji modulacji częstotliwości
światła na modulację amplitudy światło emitowane przez laser jest modulowane
częstotliwościowo. Modulację częstotliwości światła uzyskuje się przez dodanie do
prądu stałego małego, zmiennego w czasie prądu modulującego. Za laserem
znajduje się interferometr Macha-Zehndera. Przez odpowiedni dobór długości dróg
optycznych w gałęziach interferometru następuje na jego wyjściu zdudnianie
sygnału i w rezultacie uzyskujemy przejście na modulację amplitudy. Długości
dróg optycznych w gałęziach interferometru są tak dobrane, aby opóźnienie
czasowe sygnału przechodzącego przez nie było równe czasowi trwania pojedyn-
czego bitu. Zaletą tego rozwiązania jest praktyczne wyeliminowanie zjawiska
chirpu [3.26].
Transmisja solitonowa
U podstaw zjawiska fizycznego jakim jest transmisja solitonowa leży to, że gdy
do światłowodu wprowadzamy dostatecznie dużą moc światła wykazuje on słabą,
jednak wystarczającą nieliniowość, która jest w stanie przeciwdziałać skutkom
zjawiska dyspersji chromatycnej. Jeżeli parametry światłowodu i moc optyczna
impulsu są odpowiednio dobrane, to w zakresie tzw. dyspersji anomalnej
nieliniowość równoważy skutki działania dyspersji chromatycznej. Soliton pierw-
szego rzędu ma tę właściwość, że w ośrodku bezstratnym zachowuje swój kształt
początkowy, co oznacza, że nie występują zniekształcenia i takie impulsy mogą
być przesyłane światłowodem na bardzo duże odległości [3.27].
W pracy [3.28] przedstawiono eksperymentalną transmisję 40 Gbit/s wykorzystującą
technikę zwielokrotnienia polaryzacji (ang. PDM - Polarization Division Multi-
plexing). Jako źródło światła wykorzystano światłowodowy laser erbowy z syn-
chronizacją modów generujący impulsy solitonowe o szerokości 9 ps (rys. 3.30).
3.7. Dyspersja chromatyczna i polaryzacyjna
97
: . _Jł.. ..'. _. '.' ." .. l ..... !
". L ... ,li" .. l. "". ty. I...
.. .. ." -. -. .. .. ". .... ..". .....",
: I!'. ; ". .. ::." . 1 ._..
... !.} .. T. ... __ .. T. .. "'o .. f.. .. .. l . " l . o" "." . .:" ..!I ', '.. .. 1 ., "'o ..,......... . iJ.. : :.. .... ..
....... I. . !Ą .". .. : T. £ , "[
'" ,.., i .... '" . '"
I;-' s.. .. t. ::s.:.. ..,i{.
10 ps/div . .cf ili . .1 ".:;';;'')
Rys. 3.30. Impuls solitonowy
na wyjściu lasera [3.28]
1
ł
"
!fr.
....
1. l ...,f; ". -i>.. ::
':" . ".]Ii:
1,
ł
..ł,- " .Z' .f:."" ... $ it .,. 11- -". ....
l.t...
",t..:li
. .
.; ;..:...:...:::....",.
. ,ł
. :,"'.
;.:.. ..
'I' .....:: '''-' '. .... : ':..;'- ",:',"",-"" " r '.: ""'.0--' ".
I 20 psldiv
. . ':,,::. :" :f:. - _....
;.
....
.
'. ,'f'i,' .
.. ". ".".. .. -. .. ... . .. .' . .. .. .. ..
"lłl/ f/JfI.4:f/!j, " .
Rys. 3.31. Sygnał na wyjściu
modulatora [3.28]
.... ..... . .. ..
. . < ..." o'" '.. '.. .. . ". ..... . . . .:: --,,":-.,-. ;", . .. .."... ':..-:' '::'::':: .. :. ;;:. ...::..:...'" ..' ...,.......,.. ......,:;..::...:-."..: ",. '. : ::.: :.:: .:.-. ".::: :."...:.;,=;;::_:..:".",.;. ., ,,-. .". -..",.;" :,....;". ,::..". ,..:""; ,::.,.", '".." .';.. ':. .:" .."..,::;:,.": '. .:.
.....T"
'i,"
". .'
...k..
f
i..
4H<
'., .:r
". .
'.
'#><-
. .. .
. .. .
. . ,.. ' [ 1!/ifJiJ !i£ .$. 3 { t ttt f7fflj t'%t__i.!fll'ii t{ ¥fj t!.!tf;Ę "'
:IV.
Rys. 3.32. Sygnał na wyjściu
multipleksera [3.28]
Do kodowania danych wykorzystano zewnętrzny modulator Macha-Zehndera (rys.
3.31). Otrzymany na wyjściu modulatora sygnał o przepływności 10 Gbit/s podlegał
zwielokrotnieniu optycznemu w dziedzinie czasu do przepływności 40 Gbit/s (3.32).
Jako multiplekser wykorzystano tzw. podwójny światłowodowy interferometr
polaryzacyjny (ang. double PM fiber interferometer). Do demultipleksacji sygnału
98
Zjawiska ograniczające pracę systemów WDM
-6
::J
"C
(])J
-
..c
ro
g- - 8
......
UJ
ro
o
......
-10
E
Q)
w
-12
O 300 600 900 1200 1500 Odległość [km]
Rys. 3.33. Zależność elementowej stopy błędu w funkcji długości traktu
światłowodowego
zastosowano element wykorzystujący tzw. nieliniowe lustro optyczne. W warunkach
laboratoryjnych udało się uzyskać transmisję 40 Gbit/s na odległość dochodzącą
do 1000 km bez regeneracji sygnału. Na rysunku 3.33 pokazano zależność
elementowej stopy błędu w funkcji długości traktu światłowodowego [3.28].
Transmisja wspomagana zjawiskiem dyspersji
Transmisja wspomagana zjawiskiem dyspersji (ang. DST - Dispersion Supported
Transmission) wykorzystuje do transmisji danych zjawisko konwersji modulacji
częstotliwości światła emitowanego przez laser na modulację amplitudy. Konwersja
modulacji jest wywoływana przez dyspersję chromatyczną światłowodu standardo-
wego. W wyniku dyspersji chromatycznej składowe sygnału o różnych częstotliwoś-
ciach rozchodzą się z różnymi prędkościami grupowymi, powoduje to, że
przebywają dany odcinek światłowodu w różnych czasach. Wywołuje to nakładanie
się lub wygaszanie przesyłanych impulsów na wyjściu światłowodu, w wyniku czego
moc optyczna przesyłanego w światłowodzie sygnału nie jest już stała i otrzymuje-
my modulację amplitudy. Transmisja ta znalazła się w standardzie ITU-T G. 691
opisującym systemy 10 Gbit/s (STM-64) [3.29]. Prowadzone były próby wykorzys-
tania transmisji wspomaganej zjawiskiem dyspersji w połączeniu z kodowaniem
wielopoziomowym do realizacji z przepływnością 40 Gbit/s (STM-256).
W pracy [3.30] przedstawiono próbną transmisję STM-256 przez światłowód
standardowy za pomocą tzw. techniki QDST (ang. Quanternary Dispersion
Supported Transmission). Technika QDST jest połączeniem transmisji DST
z kodowaniem czteropoziomowym sygnału. Przeprowadzone eksperymenty wyka-
zały, że można przeprowadzić transmisję QDST o przepływności 40 Gbit/s na
odcinku światłowodu standardowego o długości 28,6 km (całkowita dyspersja
wynosiła 466 ps/nm) i na odcinku 86 km z wykorzystaniem częściowej kompensacji
dyspersji chromatycznej (całkowita dyspersja wynosiła 570 ps/nm). W pierwszym
przypadku uzyskano elementową stopę błędu na poziomie 2,3 10- 15 , a w drugim
2,5. 10-ll [3.30].
3.7. Dyspersja chromatyczna i polaryzacyjna
99
3.7.2. Dyspersja polaryzacyjna
Całkowita wartość dyspersji polaryzacyjnej toru światłowodowego (PMD) o długo-
ści L i współczynniku dyspersji polaryzacyjnej (PMD Q ) wyrażonym w ps/
jest dana przez następującą, dość uproszczoną zależność:
PMD == . PMD Q
(3.75)
Dla przepływności 10 Gbit/s i kodu NRZ (ang. Non Return to Zero) całkowita
wartość dyspersji polaryzacyjnej nie powinna przekraczać 10 ps (odpowiada to
tzw. dostępność systemu na poziomie 99,999%). Na rysunku 3.34 pokazano
zależność całkowitej wartości PMD w funkcji długości traktu światłowodowego
przy światłowodach o PMD Q 0,2 i 0,5 ps/ . Uwzględniono tu tylko wpływ
dyspersji polaryzacyjnej [3.24].
PMD [ps]
35
30
10 ------ -------------- -----------
PMD Q = 0,5 ps/km 1 / 2
25 -
20 -
15
PMD Q = 0,2 ps/km 1 / 2
Ograniczenie
dla 10 GbiUs (kod NRZ)
o
O 10 20 30 40
Liczba odcinków po 80 km
Rys. 3.34. Zależność całkowitej wartości PMD w funkcji długości traktu światłowodowego
Jeśli mamy do czynienia z światłowodami o PMD Q na poziomie 0,5 ps/ , to
maksymalna długość toru światłowodowego nie przekracza 400 km. W przypadku
PMD Q na poziomie 0,2 ps/ otrzymujemy 2500 km.
Najpopulamiejsze metody służące do ominięcia problemów związanych z dyspersją
polaryzacyjną:
- identyfikacja i zastąpienie odcinków światłowodów o dużej wartości dyspersji
polaryzacyjnej odcinkami o małej wartości dyspersji polaryzacyjnej,
- zastosowanie kompensatorów dyspersji polaryzacyjnej,
- wybór mniejszych przepływności (np. 2,5 Gbit/s).
Wśród zaproponowanych metod najprostszą jest propozycja trzecia. Jednakże,
zapewnienie dużej przepustowości łączy przy stosunkowo niewielkiej przepływności
w kanale wymaga zastosowania techniki WDM.
100
Zjawiska ograniczające pracę systemów WDM
Jedną z nowszych metod ograniczania wpływu dyspersji polaryzacyjnej pierwszego
rzędu jest technika IPMD (ang. Intra-bit Polarization Modulation Diversity). Ta
technika kompensacji wpływu dyspersji polaryzacyjnej polega na tym, że każdy
nadawany bit po stronie nadawczej jest dzielony na dwie równe połowy. Połówkom
bitu nadawane są wzajemnie ortogonalne polaryzacje. Znajdujący się przed
odbiornikiem analizator przepuszcza tylko jeden z ortogonalnych modów (rys.
3.35) [3.31].
Czas
trwania bitu
.... . :
. '
,
Połowa bitu
Oś szybka światłowodu
Analizator
I
I
,
I
I
I
I
I
I
I I
,... .1
Różnicowe
opóźnienia grupowe
Rys. 3.35. Zasada działania techniki IPMD
Oś wolna światłowodu
Do ograniczenia wpływu dyspersji polaryzacyjnej wyższego rzędu stosuje się
modulację fazy sygnału w formacie kodu RZ (ang. Return to Zero). Proponowanych
jest kilka odmian kodu RZ: CS-RZ (ang. Carrier Suppressed RZ), AC-RZ (ang.
Alternate Chirped RZ), DCS-RZ (ang. Duobinary CS-RZ) [3.32]. Najwęższym
pasmem modulacji charakteryzuje się kod typu DCS-RZ, jest ono zbliżone do
pasma kodu NRZ. W tabeli 3.4 przedstawiono porównanie tolerancji na dyspersję
polaryzacyjną (KpMD) i zasięgu transmisji danych (przy założeniu spadku czułości
odbioru powodowanego przez dyspersję polaryzacyjną na poziomie l dB) dla
przepływności 40 Gbit/s i zastosowaniu kodów: NRZ, RZ i CS-RZ. Tolerancja na
dyspersję jest definiowana jako stosunek różnicowego opóźnienia grupowego
i czasu trwania bitu (podawana jest w procentach). Maksymalna wartość dyspersji
polaryzacyjnej wynosiła 0,5 ps/ . Przedstawione wyniki dotyczą ograniczenia
zasięgu transmisji związanego tylko z dyspersją polaryzacyjną.
Tabela 3.4. Zakres transmisji przy ograniczeniu zasięgu spowodowanym tylko przez
dyspersję polaryzacyjną dla kodów NRZ, RZ i eS-RZ
Kod KpMD Zasięg transmisji przy
40 GbitJs [km]
NRZ 44 % 484
RZ 49% 600
CS-RZ 60% 900
-
3.8. Szumy wzmacniacza optycznego
101
3.8. Szumy wzmacniacza optycznego
Zastosowanie wzmacniacza optycznego pociąga za sobą dodanie szumu wzmac-
niacza do sygnału wyjściowego. Prąd powstający w fotodetektorze wynosi:
I == Ip+ld
(3.76)
gdzie: Ip - średnia wartość prądu, a Id reprezentuje fluktuacje prądu, które obejmują
efekty wynikające z obecności szumu śrutowego, termicznego oraz szumu
związanego z emisją spontaniczną występującą we wzmacniaczu optycznym.
Prąd szumów ma zerową średnią, jego moc określona za pomocą wariancji ma
następującą postać [3.27]:
2 2 2 2 2 2
er == er T + er s + er sp-sp + er sig-sig + er s-sp
(3.77)
gdzie [3.27]:
(j2 T - składowa związana z szumem termicznym wyrażona zależnością:
(j2T == (4k B Temp/R L )Fel1fe
cf2 s - składowa związana z szumem śrutowym, która jest określona przez:
(3.78)
(j2s == 2e[R(GPs + P sp ) + Id]l1fe
(3.79)
gdzie: k B - stała Boltzmana, Temp - temperatura, Fe - współczynnik szumów
wzmacniacza elektrycznego, R L - rezystancja wejściowa, !e - pasmo elektryczne
odbiornika, !(}pt -pasmo optyczne szumu emisji spontanicznej, e - ładunek
elektryczny.
Trzy kolejne składniki w zależności (3.77) wynikają ze zdudniania ze sobą szumu
emisji spontanicznej ((j2 sp _ sp ), Z sygnałem użytecznym ((j2sig_sP) i z szumem śrutowym
((j2s_sp). Sygnał użyteczny, szum śrutowy i szum wynikający z emisji spontanicznej
różnią się częstotliwością i mogą zdudniać się ze sobą, powodując powstanie
składników szumowego w paśmie odbiornika. Ze względu na fakt, że szumy emisji
spontanicznej zajmują szerokie pasmo optyczne mogą ulegać zdudnieniu ze sobą.
Moce poszczególnych składników zdudniania szumów emisji spontaniczej mają
następującą postać [3.27]:
- składowa związana z szumem zdudnienia emisji spontanicznej:
(j2 sp-sp == 4 R 2 S sp 2 !oPt !e
(3.80)
- składowa związana z szumem zdudnienia sygnału użytecznego z szumem emisji
spontanicznej:
(j2 sig-sp == 4R 2 S spP sl1!e
(3.81)
- składowa związana z szumem zdudnienia szumu śrutowego z szumem emisji
spontanicznej:
(j2 s-sp == 4eRS sp !oPt fe
(3.82)
102
Zjawiska ograniczające pracę systemów WDM
Moc emisji spontanicznej wzmacniacza (P sp ) jest równa:
p sp == Ssp !sP
(3.83)
przy czym: S 'P - gęstość widmowa szumu emisji spontanicznej, l1!sp - efektywne
pasmo emisji spontanicznej równe w praktyce pasmu wzmacniacza lub filtru
optycznego.
Gęstość widmową mocy szumów emisji spontanicznej można przedstawić w na-
stępującej postaci:
hc
Ssp == (G-I)n pT
(3.84)
gdzie n.\p - współczynnik inwersji obsadzeń, a h, c, A i G jak w poprzednich
zależnościach.
W analizie szumów wzmacniacza optycznego wykorzystuje się zwykle współczyn-
nik szumu wzmacniacza optycznego, który jest w następujący sposób związany ze
współczynnikiem inwersji obsadzeń:
2n sp (G-I)
Fn == G 2n.\p (3.85)
Przyjmując powyższe założenia (3.84) i (3.85), wyrażenia (3.79-3.82) można
przedstawić w następującej postaci [3.27]:
"
- szum srutowy:
(j2s == 2eY) GP s l1fJ(hf) (3.86)
- szum zdudnienia emisji spontanicznej:
(j2 sp-sp == (eY) G F n)2 foP{ fe
- szumu zdudnienia sygnału użytecznego z szumem emisji spontanicznej:
(3.87)
(j2Sig_sP == 2(eY)G) 2F n P s l1f/(hf)
(3.88)
- moc szumu zdudnienia szumu śrutowego z szumem emisji spontanicznej:
(j2s_sp == 4e 2 Y) G F n l1foP{l1fe
(3.89)
gdzie f == cIA.
Porównując powyższe zależności można stwierdzić, że (j2s jest mniejsze od (j2sig_sp
o czynnik 'ł1G. Fn i można je pominąć. Składnik (j2s_sp jest pomijalnie mały
w porównaniu z (j2 p_sp. Szum termiczny może zostać pominięty w porównaniu ze
kł d . k . 2 . 2
S a nI aml (j sig-sp l (j sp-sp.
Przy takich założeniach wariancja szumu ma postać:
222
er l == er sig-sp + er sp-sp
(3.90 )
---
Literatura
103
Gdy przyjmiemy następujące wartości poszczególnych parametrów: fopt ==
== 125 GHz, !e == 5 GHz, e == 1,6. 10- 19 C, 11 == 0,9, G == 20 dB, A == 1550 nm,
h == 6,63 . 10- 34 J . s, c == 3,0. 10 8 m/s, Fn == 3 dB, Id == 10 nA, Ps == 17 dBm,
otrzymujemy wartość wariancji szumu równą 1,56. 10- 6 .
Literatura
[3.1]
[3.2]
[3.3]
[3.4]
[3.5]
[3.6]
[3.7]
[3.8]
[3.9]
[3.10]
[3.11 ]
[3.12]
[3.13]
[3.] 4]
[3.] 5]
[3.16]
[3.] 7]
[3.] 8]
[3.] 9]
Zalecenie ITU-T G. 957: Optical interfaces Jor equipments and systems relating to the
synchronous digital hierarchy. 1999
A. Hill, D. B. Payne: Linear crosstalk ln wavelength-divisiol1-multiplexed optical-fiber
transmission systems. Journal of Lightwave Technology, vol. L T -3, nr 3, str. 643-65], ] 985
P. P. Bohn, S. K. Das: Return loss requirements Jor optical duplex transmission. Journal of
Lightwave Technology, vol. L T -5, nr 2, str. 243-254, 1987
A. Gumaste, T. Antony: DWDM network designs and engineering solutions. Cisco Press,
Indianapolis (Stany Zjednoczone) 2002
A. A. AI-Orainy, J. J. O'Reilly: New error probability bounds Jor the influence oJ crosstalk on
WDM syste nlS . J ournal of Optical Communications, vol. 11, nr 1, 1990
S. Kula: Systemy teletransmisyjne. WKŁ, Warszawa 2005
Dokument Telcordii GR-1209-CORE: Generic requirements Jor Jiber optical branching
componenets. November 1994
T. Gyselings i inni: Crosstalk analysis oJ multiwavelength optical cross connects. Journal of
Lightwave Technology, vol. 17, nr 8, str. 1273-1283, 1999
Dokument ITU- T Suplement 39 do serii G: Optical system design and engineering considerations.
2003
D.A. Fishman i inni: Measurements and simulation oJ multipath interference Jor 1.1Gbit/s
lightwave transmission systems using single- and multifrequency lasers. Journal of Lightwave
Technology, vol. 8, nr 6, str. 894-905, 1990
J. L. Gimlett, N. K. Cheung: EfJects oJ phase-to-intensity noise conversion by nlultiple
reflections on gigabit-per-second DFB laser transmission systems. Journal of Lightwave
Technology, vol. 7, No. 6, str. 888-895, 1989
1. L. Gimlett i inni: Degradations in Gbit/s DFB laser transnlission systems due to phase-to-
intensity noise conversion by multple reflection points. Electronics Letters, vol. 24, nr 7, str.
406-408, 1988
D. 1. G. Mestdagh: Fundamentais oJ nlultiaccess optical Jiber networks. Artech House, Boston
(Stany Zjednoczone) 1995
G. P. Agrawal: Nonlinear fiber optics. Academic Press Inc.. New York (Stany Zjedoczone) 1989
A. Majewski: Nieliniowa optyka światłowodowa. Wydawnictwa Politechniki Warszawskiej,
Warszawa 1993
N. Shibata i inni: Phase-mismatch dependence oJ efficiency oJ wave generation through
Jour-wave mixing in a single-mode optical Jiber. IEEE Journal of Quantum Electronics, vol.
QE-23, nr 7, str. 1205-] 210, 1987
G. P.Agrawal: Fiber-optical communication systems. John Wiley&Sons, Inc., New York (Stany
Zjednoczone) 1992
T. Li: The impact oJ optical amplifiers on long-distance lightvvave telecommunications.
Proceedings of the IEEE, vol. 81, nr 11, str. 1568-1580, ] 993
A. R. Chraplyvy: Limitations on lightwave communications imposed by optical-Jiber non-
linearities. IEEE Journal of Lightwave Technology, vol. 8, nr 10, str. 1548-1557, 1990
104
Zjawiska ograniczające pracę systemów WDM
[3.20 ]
[3.2] ]
[3.22]
[3.23]
[3.24 ]
[3.25]
[3.26]
[3.27]
[3.28]
[3.29]
[3.30]
[3.31 ]
[3.32J
--
N. Shibata I inni: Transmission linlitations due to fiber nonlinearities in optical FDM systems.
IEEE Journal on Selected Areas in Communications, vol. 8, nr 6, str. 1068-1077, 1990
R. G. Waarts, A. A. Friesem, E. Lichtman. Nonlinear effects in coherent nlultichannel
transmission through optical fibers. Proceedings of IEEE, vol. 78, nr 8, str. 1344-1368, 1990
E. A. Dowdell: Bit-to-the-future: Enlerging transport systems and optical-fiber design. Lightwave,
vol. 16, nr 12, 1999
A. R. Chraplyvy: High-capacity lightwave transmission experiments. Bell Labs Technical
Journal, vol. 4, nr 1, str. 230-245, 1999
I. Kaminov, T. Li: Optical fiber Telecommunications IVB. Systems and impairments. Academic
Press, San Diego (Stany Zjednoczone) 2002
J. E. Midwinter, Y. L. Guo: Optoelektronika i technika światłowodowa.WKŁ, Warszawa 1992
U. Fisher: 10 Gbit/s transmission over 69 km oJ non dispersion shifted singlemode fibre with
CPFK direct nlodulation oJ 1.55 f.lm BH DFB laser. Electronics Letters, vol. 28, nr
14, str. 1305-1306, 1992
J. Siuzdak: Wstęp do współczesnej telekomunikacji światłowodowej. WKŁ, Warszawa 1997
Raport końcowy projektu ACTS AC053: MIDAS - Multi-gigabit Interconnection using Dispersion
compensation and advanced soliton technique. 1999
Zalecenie ITU-T G. 691: Optical interfaces Jor single channel STM-64 and other SDH systems
with optical amplifiers. 2006
Raport końcowy projektu ACTS AC049: SPEED - Superhighway by Photonically and
Electronically Enhanced Digital transmission. 1999
Z. Pan, Y. Wang: Intra-Bit Polarization Diversity ModulationJor PMD Mitigation. Proceedings
of ECOC 2001, 27 European Conference on Optical Communications, Amsterdam (Holandia)
2001
Y. Kisaka, M. Tomizawa: First- and higher-order PMD tolerance oJ carrier-suppressed
return-to-zero Jormat with Jorward error correction. Proceedings of ECOC 200], 27 European
Conference on Optical Communications, Amsterdam (Holandia) 200]
Rozdział
Wybrane zagadnienia dotyczące
projektowania systemów WDM
4.1. Kryteria oceny jakości pracy systemów
optotelekom u n i kacyj nych
Ocenę jakości pracy systemów telekomunikacji optycznej można dokonywać
w dziedzinie optycznej, przed konwersją sygnału optycznego na elektryczny, lub
w dziedzinie elektrycznej, po takiej konwersji. W pierwszym przypadku po-
sługujemy się optycznym stosunkiem sygnału do szumu (ang. OSNR - Optical
Signal to Noise Ratio), a w drugim elektrycznym stosunkiem sygnału do szumu
przyjmującym postać parametru Q. Klasyczna wielkość służąca do określania
jakości pracy systemów telekomunikacyjnych, czyli elementowa stopa błędu jest
stosowana bardziej do analizy pracy działających systemów niż do ich analizy na
etapie projektowania. Należy zwrócić uwagę na to, że pełniejszy obraz pracy
systemu optotelekomunikacyjnego daje bardziej parametr Q niż OSNR. Wynika
to z faktu, że OSNR uwzględnia jedynie szumy związane z pracą optycznych
elementów aktywnych; z kolei, parametr Q daje nam pełny obraz wszystkich
czynników wpływających na pogorszenie jakość pracy systemu.
Optyczny stosunek sygnału do szumu
W systemach optycznych wykorzystujących wzmacniacze optyczne podstawowym
źródłem szumu jest wzmocnieniowa emisja spontaniczna (ang. ASE - Amplified
Spontaneous Emission). Wartość mocy szumu, która jest określona w paśmie
o szerokości 1110' jest równa [4.1]:
P ASE == 2N sp (G-l)hII1I0
(4.1 )
gdzie: N sp - współczynnik szumu emisji spontanicznej (N sp l), G - współczynnik
wzmocnienia, h - stała Plancka, a I - częstotliwość optyczna.
106
Wybrane zagadnienia dotyczące projektowania systemów WDM
Współczynnik szumu wzmacniacza optycznego NF jest określony następującą
zależnością [4.2]:
[ 2Nsp-l ]
NF = 2N sp - G + IN
(4.2)
gdzie IN - wielkość opisująca straty sprzężenia wzmacniacza. Często przyjmuje
się, że IN = l/G.
W systemach zawierających wiele wzmacniaczy optycznych następuje akumulacja
szumu AS E, dlatego też na wyjściu każdego wzmacniacza ma miejsce coraz
wyraźniejszy spadek wartości optycznego stosunku sygnału do szumu. Przy założeniu,
że wszystkie wzmacniacze optyczne w systemie mają tę samą wartość współczynnika
szumu, straty mocy optycznej między wzmacniaczami są jednakowe i moce na
wyjściu poszczególnych wzmacniaczy są takie same, wartość OSNR jest równa [4.2]:
( l OGRA/lO )
OSNR = Pwv-aod-NF -10log N + 110 -lOlog[hf .tJ
. l OUoct
( 4.3)
gdzie: P wy - moc na wyjściu wzmacniacza końcowego i wzmacniaczy przelotowych
w pojedynczym kanale (w dBm), a od - tłumienie toru światłowodowego między
wzmacniaczami (w dB), NF - współczynnik szumu (w dB), N - liczba odcinków
światłowodu w systemie (między nadajnikiem a pierwszym wzmacniaczem
przelotowym, między kolejnymi wzmacniaczami przelotowymi i między ostatnim
wzmacniaczem przelotowym a odbiornikiem), GRA - wzmocnienie wzmacniacza
końcowego (w dB), .t) - pasmo optyczne.
Całkowita liczba wzmacniaczy przelotowych wynosi N - l. Jeżeli założymy, że
wartość aod jest kompensowana przez wzmocnienie wzmacniacza przelotowego
oraz że wzmacniacz końcowy i wzmacniacze przelotowe mają takie samo
wzmocnienie, to otrzymujemy:
OSNR = Pwy-aod-NF -lOlog(N + 1)-lOlog[hf fJ
(4.4)
Jeżeli wzmocnienie wzmacniaczy przelotowych jest dużo większe od wzmocnienia
wzmacniacza końcowego, to szum ASE generowany we wzmacniaczu końcowym
może być pominięty i wtedy wartość OSNR jest równa [4.3]:
OSNR = Pwy-aod-NF -10IogN-10log[hf fo]
Gdy mamy tylko jeden odcinek światłowodu (N = l) otrzymujemy:
OSNR = Pwv-aod-NF-10log[hf fo]
( 4.5)
(4.6)
W przypadku obliczeń wykonywanych dla fali o długości 1550 nm i przyjęciu
!o = 0,1 nm składnik równania 10Iog[hf fo] jest równy - 58 dBm.
Warto zauważyć, że zależność (4.6) jest poprawna w przypadku, gdy wartości
a od dla poszczególnych odcinków toru są jednakowe. W sytuacji, gdy są różne,
zależność ta jest słuszna tylko, gdy możemy przyjąć, że straty poszczególnych
odcinków światłowodów są równe lub mniejsze od przyjętej wartości aod.
--
4. 1. Kryteria oceny jakości pracy systemów optotelekomunikacyjnych
107
Zależność (4.6) pozwala także na określenie wartości minimalnej mocy optycznej
p wy niezbędnej do uzyskania określonej wartości OSNR.
Przykładowo załóżmy, że moc optyczna P wy == 3 dBm, NF == 6,5 dB, 11/0 == 0,1 nm
aod == 22 dB, dla podanych wartości w wyniku obliczeń opartych na wyżej
przedstawionych zależnościach otrzymujemy krzywe pokazane na rys. 4.1 [4.1].
OSNR [dB]
35
\
\
\
\
\
\
25 - - - - - \.- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - . Og ra n i cze n i e
,.,.,. OSNR bez FEC
'.
'.
'.
'.
'......
.....
..........
- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - '.:'-......., - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
......
.....
.....
..........
.....
.....
.....
..........
.....
- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -:-: , - - - - - - - - - Ograniczenie
OSNR z super FEC
30
20
Ograniczenie
OSNR z FEC (G. 709)
15
10 -
5 -
o
O 10 20 30 40 Liczba odcinków
Rys. 4.1. Zależność OSNR od długości traktu przy wzmacnianiu sygnału za pomocą
wzmacniacza EDFA
Dla przepływności 10 Gbit/s dopuszczalna wartość OSNR wynosi 25 dB dla
elementowej stopy błędu na poziomie 10-12; daje to zasięg transmisji równy
5 odcinków światłowodu o tłumieniu 22 dB. Zastosowanie techniki kodowania
z korektą błędu w przód (ang. FEC - Forward Error Correction) opisanej
w zaleceniu ITU-T G. 709 [4.4] powoduje, że dopuszczalna wartość OSNR
zmniejsza się do 19,4 dB. Dzięki temu dopuszczalny zasięg transmisji wzrasta
do 20 odcinków światłowodu o tłumieniu 22 dB.
Kolejny przykład: załóżmy, że mamy tor transmisyjny składający się z 4 odcinków
światłowodu, między którymi umieszczono wzmacniacze optyczne Gest ich w sumie
3). Wzmocnienie wzmacniaczy wynosi 25 dB, tłumienie każdego z odcinków
światłowodu to 25 dB, moc na wejściu toru jest równa O dBm. Wartość OSNR na
-JII' . . "
WYJSCIU toru Jest rowna:
OSNR == O (moc wejściowa) + 58 (patrz zależność 4.6) - 25 (tłumienie po-
jedynczego odcinka światłowodu) - 10log4 (4 odcinki światłowodów) - 5 (współ-
czynnik NF).
Po obliczeniach uzyskujemy: OSNR 22 dB.
108
Wybrane zagadnienia dotyczące projektowania systemów WDM
Parametr Q
Parametr Q określa wartość elektrycznego stosunku sygnału do szumu i jest równy
[4.1] :
Q = (111 -110)
( (J I + (J o)
(4.7)
gdzie: J.lI - J.lo różnica między średnią wartością wielkości elektrycznej związanej
z wysokim i niskim poziomem logicznym, a U 2 1 i u 2 o - wariancje szumu
związanego z poziomem wysokim i poziomem niskim. Chcąc wyrazić parametr
Q w dB (QdB) należy pamiętać, że QdB == 20Iog(Q).
Parametr Q pozwala oszacować wartości elementowej stopy błędu, należy jednak
pamiętać, że wyznaczona w ten sposób wartość będzie wskazywała tylko chwilową
wartość elementowej stopy błędu. Zależność zachodząca między parametrem
Q a elementową stopą błędu [4.5]:
BER = erfc ( )
(4.8)
gdzie erJc - tzw. funkcja błędu.
Wyrażenie przybliżone słuszne dla sytuacji, gdy Q > 3 ma postać [4.6]:
BER l e-(Q2/2)
Q
( 4.9)
Z kolei wyrażenie przybliżone słuszne dla dowolnego Q jest równe [4.5]:
e - (Q2/2)
BER
[( 1 ) -J Q2+2n ]
v 2n l - Q + n
(4.10)
Między parametrem Q i OSNR zachodzi następująca zależność:
QdB = 20 log -J OSNR I Bopt
'/ Be
(4.11 )
gdzie: Bopt - szerokość pasma optycznego odbiornika (fotodetektora), a Be - pasmo
elektryczne odbiornika (filtru).
Zależność (4.11) przedstawia bezpośredni związek występujący między parametrem
Q, czyli elektrycznym stosunkiem sygnału do szumu, a parametrem OSNR
opisującym ograniczenia jakości transmisji spowodowane przez pracę elementów
optycznych systemu.
4.2. Bilans mocy optycznej
109
4.2. Bilans mocy optycznej
Przyjmuje się, że dopuszczalne straty wnoszone przez system optotelekomunikacyj-
ny nie mogą przekraczać wartości będącej różnicą mocy wyjściowej z nadajnika
i czułości odbioru (odbiornika) sygnału optycznego. Przy określaniu bilansu mocy
systemu warto zwrócić uwagę na to, że po stronie odbiorczej ma miejsce
ograniczenie dopuszczalnego poziomu mocy optycznej tak od strony małych jak
i dużych wartości mocy optycznej. Na rysunku 4.2 pokazano przykład zależności
elementowej stopy błędu od wartości odbieranej mocy optycznej. Pogorszenie
jakości pracy systemu przy założonej elementowej stopie błędu następuje przy
przekroczeniu zakresu określonego przez czułość odbioru (P omin) jak i moc
przesterowania odbiornika (Pomax) [4.7].
Przy analizie bilansu mocy będziemy rozpatrywać system w konfiguracji połącze-
niowej typu punkt-punkt i pierścieniowej. Przy obliczeniach będą wykorzystywane
wartości podane w tab. 4.1.
Tabela 4.1. Przyjęte wartości wybranych parametrów elementów analizowanego
systemu
Oznaczenie Opis Wartość Moc Czułość
wejściowa odbioru
amon Straty wyjścia 0,2 dB
monitorującego
acon Straty połączenia 0,25 dB
rozłącznego
aspl Straty spawu 0,15 dB
afib Tłumienność 0,2 dB/km
światłowodu
afoadm Straty OADM 2 dB
(nierekonfigurowalnego)
aroadm Straty OADM 10 dB
(rekonfigurowalnego)
Pwe 1 Moc wyjściowa nadajnika 3 dBm
,
dla 2,5 Gbit/s
P We2 Moc wyjściowa nadajnika OdBm
,
dla 10 Gbit/s
P omin , 1 Czułość odbioru dla - 23 dBm
diody odbiorczej przy
2,5 Gbit/s
Po min, 2 Czułość odbioru dla -16 dBm
diody odbiorczej przy
10 Gbit/s
110
Wybrane zagadnienia dotyczące projektowania systemów WDM
Elementowa
stopa błędu
10- 6
10- 8
1 0- 10 - - - - -' - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
1 0- 12
- 40 - 36 - 32 - 28 - 26 Moc optyczna [dBm]
P omin
p omax
Rys. 4.2. Przebieg zmian wartości elementowej stopy błędu w funkcji mocy optycznej
Architektura punkt-punkt
Na rysunku 4.3 przedstawiono przykładowe łącze światłowodowe w konfiguracji
punkt-punkt z zaznaczonymi jego elementami składowymi: nadajnikiem (Tx),
odbiornikiem (Rx), światłowodem i elementami połączeniowymi.
Wzmacniacz
optyczny
I...... ......
1 ...... .>
1 //
/
Element
połączeniowy
Światłowód Element
połączeniowy
Panel
Panel
Rx
Tx
. połączenie rozłączne
Wyjście
monitorujące
o spaw
Rys. 4.3. Przykładowe łącze światłowodowe w architekturze punkt-punkt
Bilans mocy dla takiego łącza przeprowadza się uwzględniając: straty mocy
optycznej poszczególnych elementów składowych, moc wejściową nadajnika
i czułości odbioru sygnału optycznego. Dodatkowo należy uwzględnić rezerwę
eksploatacyjną i margines tłumienia. Rezerwa eksploatacyjna określa wzrost
wyliczonego tłumienia toru w ciągu okresu eksploatacji danego łącza. Możemy tu
wyróżnić rezerwę, na którą składają się dodatkowe złącza umieszczone w łączu po
usunięciu uszkodzeń kabla, wstawki kablowe wynikające z konieczności dokony-
wania przebudów łącza itp. Można określić rezerwę jako procent tłumienia złączy
w danym odcinku łącza. Wartość ta powinna stanowić 10% liczby wszystkich
złączy w danym łączu. Dodatkowo, należy uwzględnić rezerwę na starzenie się
--
4.2. Bilans mocy optycznej
111
światłowodów i różnego typu elementów zainstalowanych w łączu. Przyjmuje się, że
całkowita rezerwa powinna wynosić co najwyżej ] 0% długości kabla. Z kolei
zakładany margines tłumienia wynika z uwzględniania degradacji urządzeń teletransmi-
syjnych przede wszystkim na skutek starzenia się elementów oraz wpływu czynników
środowiskowych (np. temperatury). Margines powinien być podawany przez
producenta urządzeń. Zwykle jego wartość mieści się w przedziale od 3 dB do 6 dB.
W przedstawionym przypadku bilans mocy ma postać:
P'tt.e, ] - p o min,} = l, l (aJib + 8acon + 2aspl + amon) + MAR
( 4.12)
Przy uwzględnieniu wartości podanych w tab. 4.1, zakładając margines MAR na
poziomie 3 dB oraz przyjmując, że analizujemy system o przepływności 2,5 Gbit/s
mamy: afib 18 dB. Wynika z tego, że dopusz zalna długość światłowodu może
wynieść 90 km.
W przypadku modernizacji takiego systemu do przepływności np. ] O Gbit/s należy
uwzględnić inną niż dla systemu o przepływności 2,5 Gbit/s wartość mocy nadajnika
i inną czułość odbioru. Przy długości traktu określonego na 90 km (przyjmujemy
afib = 18 dB) zachowanie bilansu mocy wymaga dodatkowego wzmocnienia
sygnału optycznego (G). Bilans mocy przedstawia się w takiej sytuacji następująco:
Pwe,2-Pomin,2 = 1,1(afib+8acon+2aspl+amon)+MAR-G
(4.13)
Wartość wzmocnienia G nie powinna być mniejsza od 9,5 dB. Praktyczna
realizacja tego postulatu sprowadza się do umieszczenia wzmacniacza optycznego
na wyjściu części nadawczej.
Inny przykład: załóżmy, że mamy tor transmisyjny składający się z 4 odcinków
światłowodu, między którymi umieszczono wzmacniacze optyczne (jest ich w su-
mie 3). Wzmocnienie wzmacniacza wynosi 22 dB, tłumienie każdego z odcin-
ków światłowodu to 25 dB, moc na wejściu toru jest równa O dBm, czułość
odbioru sygnału optycznego wynosi - 25 dBm. Czy przy tak dobranych pa-
rametrach system będzie pracował poprawnie? Moc wyjściowa wynosi:
0-25 + 22 - 25 + 22 - 25 + 22 - 25 = - 34 dBm. Nawet nie uwzględniając mar-
ginesu widać, że system ten będzie pracował nieprawidłowo ze względu na zbyt
małą moc dochodzącą do odbiornika; jest ona mniejsza od czułości. Jeżeli moc
wejściowa ulegnie zwiększeniu do np. 15 dBm, to na wyjściu otrzymujemy
- 19 dBm. W tym przypadku system będzie pracował poprawnie.
Architektura pierścieniowa
Na rysunku 4.4 pokazano analizowaną sieci w konfiguracji pierścieniowej
z czterema węzłami. Analiza bilansu mocy jest tu podobna do poprzedniej z tym,
że dodatkowo należy uwzględnić straty wnoszone przez krotnice transferowe
stanowiące węzły sieci (rys. 4.5).
112
Wybrane zagadnienia dotyczące projektowania systemów WDM
50 km
50 km
50 km
50 km
Rys. 4.4. Analizowana
sieć o architekturze
pierścieniowej
Element
połączeniowy
Wzmacniacz
Element
połączeniowy
OADM
Panel
Panel
Panel
Element
połączeniowy
Rys. 4.5. Schemat budowy pojedynczego
węzła sieci
Straty węzła oblicza się następująco:
anod == 2aspl + 6acon + afoadm
(4.14 )
Po podstawieniu wartości z tab. 4.1 mamy:
anod == 0,3 + 1,5 + 2 == 3,8 [dB]
Chcąc określić, dla prezentowanego systemu, wartość wymaganego wzmocnienia
sygnału przy przepływności 10 Gbit/s musimy przeprowadzić następujące ob-
liczenie:
P we ,2 - Po min, 2 == l, l (afib + 4anod) + MAR- G
( 4. ] 5)
Wartość G jest równa 47,7 dB. Można to zrealizować za pomocą czterech
wzmacniaczy o wzmocnieniu na poziomie ok. 12 dB umieszczonych w po-
szczególnych węzłach sieci, tak jak to pokazano na rys. 4.5.
W przypadku sieci dostępowych pewną trudność przy określaniu bilansu mocy
może sprawić typowe dla nich kaskadowe występowanie elementów rozgałęziają-
cych. Na rysunku 4.6 pokazano przykład ścieżki optycznej w kierunku od jednostki
zakończenia łącza optycznego (ang. OLT - Optical Line Termination) do jednostki
sieci optycznej (ang. ONU - Optical Network Unit).
-
4.2. Bilans mocy optycznej
113
S1
S2
.
.
....
L
..:
h 'n
k" m" p' p m' k'
p p p P...
hj:nj
hl:nl
mi ki
OLT
ONU
. . .
m = m' + m"
p p p
k = k' + k"
p p p
1111
.
...
.
i4I
.
.
.
.
.
.
Lp
L
J
LI
D połączenie X spaw
rozłączne
> urządzenie rozgałęziające
Rys. 4.6. Schemat ścieżki optycznej od OL T do ONU
Przyjmuje się, że optyczna sieć dystrybucyjna składa się z P poziomów rozdzielania
(ang. split) sygnału optycznego wysyłanego z OLT do ONU. W obrębie optycznej
sieci dystrybucyjnej można wyodrębnić ścieżki optyczne łączące ściśle określone
ONU z OL T. Każda z takich ścieżek jest tworzona przez P elementów ścieżki
optycznej. Przyjmuje się, że j-ty element optyczny rozpoczyna się na wyjściu portu
(j - l )-tego optycznego urządzenia rozgałęziającego i kończy się na wyjściu portu
j-tego optycznego urządzenia rozgałęziającego. Z tym, że:
a) j = 1, element ścieżki optycznej rozpoczyna się w punkcie odniesienia S2
i kończy się w porcie wyjściowym pierwszego optycznego urządzenia roz-
gałęziającego (dla P = j = 1 w punkcie odniesienia SI),
b) j = P, element ścieżki optycznej rozpoczyna się w porcie wyjściowym (P-l)-
-tego optycznego urządzenia rozgałęziającego (dla P = j = 1 w punkcie odniesienia
S2) i kończy się w punkcie odniesienia S 1. Element ścieżki optycznej oznaczony
jako j-ty składa się z światłowodu o długości Lj i następujących elementów biernych:
- j-tego optycznego urządzenia rozgałęziającego o współczynniku rozdziału hj:nj
(h j 1 i n j l),
- k j połączeń rozłącznych (k j O),
- m j połączeń spawanych.
p
Cała ścieżka optyczna składa się ze światłowodu o długości L = L Lj i na-
j = l
stępujących elementów biernych:
- P optycznych urządzeń rozgałęziających,
p
- k = L k j połączeń rozłącznych,
j = l
p
- m = L m j spawów.
j=l
Całkowita wartość współczynnika rozdziału dla ścieżki optycznej wynosi:
p
n = Il n j .
j=]
114
Wybrane zagadnienia dotyczące projektowania systemów WDM
Przy określaniu bilansu mocy takiego systemu można zastosować proste dodawanie
do siebie strat mocy wnoszonych przez poszczególne elementy składowe. Możliwe
jest również podejście statystyczne. Taka analiza jest oparta na zastosowaniu
przybliżenia gaussowskiego. Wartość średnia jest określana w następujący sposób
[4.8 J:
f.lpl == mSJl + kC Jl + LFJl + bBJl + MJl
a odchyłka standardowa jest równa [4.8]:
( 4.16)
apI == -J mS cr 2 + kC cr 2 + LFcr2 + bBcr2 + M cr 2
( 4.17)
gdzie:
m - liczba spawów, k - liczba połączeń rozłącznych, L - długość światłowodu
(knl), B - liczba optycznych urządzeń rozgałęziających, SJl - wartość średnia strat
powodowanych przez spawy (dB), CJl - wartość średnia strat powodowanych przez
połączenia rozłączne (dB), FJl - wartość średnia tłumienności światłowodu (dB/km),
BJl - wartość średnia strat powodowanych przez optyczne urządzenia rozgałęziające
(dB), MJl - wartość średnia strat powodowanych przez różne urządzenia (dB),
Sa - wartość odchyłki standardowej strat powodowanych przez spawy (dB),
C u - wartość odchyłki standardowej strat powodowanych przez połączenia rozłączne
(dB), Fu - wartość odchyłki standardowej tłumienności światłowodu (dB/ ),
Bu - wartość odchyłki standardowej strat powodowanych przez optyczne urządzenia
rozgałęziające (dB), a Mu - wartość odchyłki standardowej strat powodowanych
przez różne urządzenia (dB).
Przyjmując prawdopodobieństwo większe niż 99% otrzymujemy następujące granice
wartości strat mocy optycznej: f.lpl - 3u pl (dolna) i f.lpl + 3u pl (górna).
Użycie rozkładu gaussowskiego upraszcza samą analizę, należy jednak pamiętać,
że daje to nam w miarę dokładną choć tylko przybliżoną analizę straty mocy
optycznych. Wynika to z faktu, że rozkład strat wnoszonych przez poszczególne
elementy sieci nie musi być w rzeczywistości zgodny z rozkładem gaussowskim.
Innym podejściem statystycznym do omawianego problemu jest metoda, w której
znając rozkłady strat poszczególnych elementów sieci (nie jest wymagana znajomość
rozkładów wszystkich elementów) wyznacza się, w sposób przypadkowy, wartość
strat mocy poszczególnych elementów. Na tej podstawie określamy wartość strat
mocy wnoszony przez cały system. Powtarza się to kilkadziesiąt (nawet kilkaset)
razy, w wyniku czego otrzymujemy rozkład wartości strat mocy całego systemu [4.8].
4.3. Dyspersja chromatyczna
Analiza wpływu poszerzenia impulsu światła
Dyspersja chromatyczna powoduje poszerzenie impulsów światła wywołujące
interferencję międzysymbolową (ang. ISI - lnterSymbol lnterference). Dyspersja
ta przyczynia się do wystąpienia dodatkowej utraty mocy optycznej. Dyspersja
-
4.3. Dyspersja chromatyczna
115
chromatyczna powoduje pogorszenie czułości odbioru sygnału optycznego, co
wywołuje obniżenie jakości pracy systemu (ang. power penalty).
Powszechnie zakłada się, że dopuszczalne poszerzenie impulsu optycznego musi
być znacznie mniejsze od jego czasu trwania. Jeżeli założymy, że na wyjściu łącza
światłowodowego dopuszczalne poszerzenie impulsu może wynosić 20% jego
wartości wejściowej, to obliczenie zakresu transmisji wykonujemy w następujący
sposób:
1,2at we == ,J at we 2 + l1at 2
( 4.18)
gdzie: crt.,ve - czas trwania impulsu wejściowego (crt we == l/B, gdzie B - przepływ-
ność).
Zakładamy tu, że mamy do czynienia z impulsem o kształcie gaussowskim i crt we
jest jego szerokością średniokwadratową. Przekształcając zależność (4.18) otrzy-
mujemy wartość poszerzenia impulsu wynoszącą:
I1crt == 0,66crt we
( 4.19)
Wartość poszerzenia impulsu można powiązać z parametrami systemu:
I1crt == DLI1A, gdzie: D - współczynnik dyspersji chromatycznej, L - długość
światłowodu, I1A - szerokość linii widmowej źródła światła. Między szerokością
podawaną w długościach fali i za pomocą częstotliwości jest następujący związek
I1A == Il1jA2/ c l. Korzystając z tych zależności otrzymujemy:
L == 0,66crt we /(D A)
( 4.20)
Przyjmując np. wartość współczynnika dyspersji chromatycznej D == 17 ps/nmkm,
I1A == 0,1 nm, B == 10 Gbit/s otrzymujemy dopuszczalną długość linii światło-
wodowej L równą prawie 39 km.
Pod wpływem dyspersji chromatycznej ma miejsce spadek mocy optycznej powodo-
wany przez poszerzenie, rozmycie impulsu światła. Wartość tego spadku wynosi:
P p == 1010g ( at WY )
a twe
(4.21 )
gdzie crtwy - średniokwadratowa szerokość impulsu światła na wyjściu światłowodu.
Dla podanych wartości parametr P p jest równy 0,8 dB.
Można spotkać się również z inną zależnością opisującą ten parametr [4.6]:
p ==
p
l Olog ( at WY )
a twe
1 + (DL :t J 2
( 4.22)
W praktyce, przy analizie systemu dalekiego zasięgu i o dużej przepływności,
można spotkać się z przybliżonym szacowaniem zasięgu transmisji przy uwzględ-
116
Wybrane zagadnienia dotyczące projektowania systemów WDM
nieniu ograniczenia związanego z dyspersją chromatyczną. Takie przybliżenie ma
następującą postać [4.1]:
B 2 DL == 10 5 (4.23)
przy czym B - przepływność wyrażona w Gbit/s, współczynnik dyspersji
chromatycznej D w ps/nm . km, a długość toru światłowodowego L w km.
Przy tej zależności zakłada się, że w systemie wykorzystuje się modulator
zewnętrzny (minimalizacja zjawiska chirpu) zakłada się także, że szerokość linii
widmowej źródła jest bliska co do wartości B. To znaczy, że np. przy B ==
10 Gbit/s szerokość linii widmowej jest równa 10 GHz.
Można spotkać się z jeszcze innym sposobem analizy wpływu dyspersji chromatycz-
nej. Wpływ dyspersji chromatycznej na jakość transmisji określa się także za pomocą
tzw. parametru epsilon (ang. [;-value). Ten parametr jest definiowany jako iloczyn
następujących składników: przepływności (wyrażonej w Mbit/s), średniokwadratowej
szerokości linii widmowej lasera (w nm), skumulowanej dyspersji chromatycznej (w
ps/nm) i wartości stałej równej 10- 6 . Zależność zachodząca między dodatkową utratą
mocy wywołaną przez rozmycie impulsu światłą, a parametrem [; dla kodu NRZ i przy
korzystaniu z lasera wzdłużnie jednomodowego jest równa [4.5]:
Pp,ISI == 5log 1o (1 + 211[;2)
(4.24 )
W tabeli 4.2 pokazano przykładowe wartości parametru [; i odpowiadające im
wartości Pp.l SI [4.5].
Tabela 4.2. Przykładowe wartości parametru £ i Pp,ISI
Pp,ISI [dB] [;
0,5 0,203
1,0 0,305
2,0 0,491
W przypadku lasera wzdłużnie wielomodowego (ang. MLM - Multi Longitudinal
Mode) należy dodatkowo uwzględnić wpływ zjawiska szumu partycji modowej
(ang. MPN - Mode Partition Noise). W takim przypadku zależność zachodząca
między dodatkową utratą mocy optycznej wywołaną przez szum partycji modowej,
a parametrem [; wynosi [4.5]:
P p . MPN = -1010 g lO ( 1- [k Q (1-e- rr2 £2)f)
( 4.25)
gdzie: k - współczynnik szumu partycji modowej, a Q - elektryczny stosunek
sygnału do szumu.
Dla lasera wzdłużnie wielomodowego całkowita dodatkowa utrata mocy optycznej
jest równa sumie Pp,/SI i Pp,MPN.
4.3. Dyspersja chromatyczna
117
Analiza statystyczna
Granice dopuszczalnych wartości dyspersji chromatycznej można również określić
korzystając z metod statystycznych. W trakcie analizy statystycznej przeprowadza
się następujące czynności [4.5]:
l. Wybiera się wartość graniczą analizowanego parametru, czyli w naszym
przypadku maksymalną wartość dyspersji chromatycznej.
Maksymalna wartość dyspersji chromatycznej jest parametrem danego systemu
podawanym w zaleceniach oraz przez producentów systemów.
a 180
160
140
120 A= 1530 nm
-u
-en
o 100
+"'"
o
+"'" 80
en
Q)J
N
U 60
40
20
O . .11 I . .
L{) ..q L{) N "'l"- Q (j) CX> CD L{) ..q ('f) N "'l"- Q
- - - - - - - -
('f) ('f) ('f) ('f) ('f) ('f) N N N N N N N N N N
I I I I I I I I I I I I I I I I
D [ps/nm-km]
b
180
160
140 A = 1560 nm
-u 120
-en
O
100
+"'"
O
+"'"
en
Q)J 80
N
U
60
40
20
..1 Rys.4. 7. Przykładowy
O _. histogram wartości
L{) L{) L{) L{) L{) L{) L{) L{) L{) L{) L{) L{) L{) współczynnika dyspersji
N "'l"- Q (j) CX> CD L{) ..q ('f) N "'l"- Q
- - - chromatycznej dla długości
"'I"- "'I"- "'l"- Q Q Q Q Q Q Q Q Q Q
I I I I I I I I I I fali równej: a) 1530 nm,
D [ps/nm-km] b) 1560 nm
118
Wybrane zagadnienia dotyczące projektowania systemów WDM
2. Wyznacza się funkcję rozkładu prawdopodobieństwa dla współczynnika dyspersji
chromatycznej; następnie określa się wartość średnią i odchyłkę standardową.
W przypadku systemów typu WDM należy wyznaczyć funkcję rozkładu praw-
dopodobieństwa współczynnika dyspersji chromatycznej dla wszystkich kanałów,
tj. wszystkich wykorzystywanych długości fali. Na rysunku 4.7 pokazano przy-
kładowy histogram współczynnika dyspersji chromatycznej [4.5].
Każdy rozkład jest charakteryzowany przez dwie wielkości, tj. wartość średnią
(rys. 4.8a) i odchyłkę standardową (rys. 4.8b) [4.5].
a 22
21
. m 20
c
"C
ID 19
Lo.
'en
'c..>
'en
o 18
1::: Przybliżenie
m
S 17
16
15
1520 1540 1560 1580 1600 1600 1640
Długość fali
b
0,345
m
0,340
o
"C
Lo. 0,335
m
"C
c
J!! 0,340 Przybliżenie
en
m
0,325
..c
c..> 0,320
"C
O
0,315
0,310
0,305
1520 1540 1560 1580 1600 1600 1640
Długość fali
Rys. 4.8. Przykładowy
przebieg: a) wartości
średniej, b) odchyłki
standardowej
współczynnika
dyspersji
chromatycznej w funkcji
długości fali
Dla przedstawionych na rys. 4.7 i 4.8 przykładów wartość średnia wynosi
w przybliżeniu:
J.l().,) == - 77,403 + 0,0607)" (ps/nm . km), z kolei odchyłka standardowa jest równa:
(J().,) == 15,013 -18,384 . 10- 3 )., + 5,746 . 10-6).,2 (ps/nm . km).
3. Oblicza się rozkład prawdopodobieństwa dla współczynnika dyspersji chroma-
tycznej przy założonych warunkach.
-
4.3. Dyspersja chromatyczna
119
Analiza jest oparta na przybliżeniu gaussowskim. Korzystamy tu z centralnego
twierdzenia granicznego mówiącego, że średnia arytmetyczna n niezależnych
zmiennych losowych o takich samych rozkładach dąży do zmiennej losowej
/
o rozkładzie gaussowskim. Srednia arytmetyczna współczynników dyspersji
chromatycznej odcinków światłowodu w łączu (zakładamy, że mają tę samą
długość) wynosi [4.5]:
l n
D (A) == - Ił D(A);
n;=l
( 4.26)
gdzie n - liczba odcinków światłowodów.
Przyjmując, prawdopodobieństwo większe niż 99% wartość współczynnika dyspersji
wynosi [4.5]:
3
DTot(A) = 1-1("-) + a(,,-)
( 4.27)
Wiedząc, że liczba odcinków równa się ilorazowi całkowitej długości traktu (L Tot )
i długości pojedynczego odcinka (L Seg ) mamy [4.5]:
( L ) 112
DTot(A) == fJ,(A) + 3 Seg a (A)
L Tot
( 4.28)
Całkowita dopuszczalna wartość dyspersji chromatycznej w analizowanym torze
wynosi [4.5]:
CDTot(A) == L Tot fJ, (A) + 3 (L Seg L Tot ) 112 a (A) (4.29)
Korzystając z zależności (4.29) oraz przyjmując, że L Tot == 100 km i LSeg == 2,5 km
otrzymujemy wartości podane w tab. 4.3.
Tabela 4.3. Minimalne i maksymalne wartości dyspersji chromatycznej dla 1530 nm
i 1560 nm
A [nm] CD min [psIn m] CD max [ps/nm]
1530 1530,8 1562,7
1560 1713,8 1744, O
4. Wybiera się akceptowalną, przez założonym poziomie dopuszczalnej jakości
pracy systemu, wartość progową analizowanego parametru systemu.
Jeżeli założymy, że dla systemu o danej przepływności dopuszczalna, progowa
wartość dyspersji chromatycznej wynosi CD prog , to projektowany przez nas system
działa poprawnie przy spełnieniu następującego warunku:
I CD min I < CD prog oraz I CD max I > CD prog (4.30)
Wartości progowe powinny być podane przez producenta systemu; można je
również znaleźć w zaleceniach ITU- T; np. dla systemów 2,5 Gbit/s w zaleceniu
ITU-T G. 957 [4.9].
120
Wybrane zagadnienia dotyczące projektowania systemów WDM
Uwzględnienie kompensacji dyspersji
W przypadku kompensacji dyspersji chromatycznej dla jednego kanału Gednej
długości fali Au) musi być spełniony następujący warunek:
DT(Au)L T - DK(Au)L K == O
( 4.31)
gdzie DT(A u ) - współczynnik dyspersji chromatycznej światłowodu (dla długości
fali Au), z którego zbudowany jest trakt optotelekomunikacyjny, L T - jego długość.
Z kolei DK(A u ) - wartość bezwzględna współczynnika dyspersji chromatycznej
światłowodu kompensującego dyspersję (dla długości fali AlJ, a L K - jego długość.
Przy kompensacji wpływu dyspersji chromatycznej dla systemu jednokanałowego
ważna jest tylko wartość współczynnika dyspersji chromatycznej dla jednej,
wykorzystywanej długości fali. W przypadku systemów WDM należy dodatkowo
uwzględnić nachylenie charakterystyki dyspersji chromatycznej światłowodu.
Wartość dyspersji chromatycznej (D.J w obszarze trzeciego okna optycznego
można opisać, z dopuszczalnym przybliżeniem, następującą zależnością:
Ds(A) == D(1550) + So(A)
( 4.32)
gdzie So - współczynnik nachylenia charakterystyki dyspersji.
Widać, że dla każdego kanału WDM (innej długości fali) mamy inną wartość
współczynnika dyspersji Ds. Stosując światłowód kompensujący dyspersję za-
projektowany pod kątem kompensacji tylko jednej długości fali doprowadzamy do
takiej sytuacji, że dla kanałów systemu zlokalizowanych na innych długościach fali
kompensacja nie jest pełna i pojawia się tzw. dyspersja resztkowa.
Rozważmy system WDM złożony z czterech kanałów WDM o długościach fali
Al == 1547,72 nm, A 2 == 1549,32 nm, A3 == 1550,92 nm i A4 == 1552,52 nm. Trakt
optotelekomunikacyjny o długości 500 km składa się ze światłowodu standardowego
o współczynniku dyspersji chromatycznej D == 17 ps/nm. km i współczynniku
nachylenia charakterystyki dyspersji So == 0,0677 ps/nm 2 . km. Do kompensacji
wykorzystano światłowody DCF o D == - 80 ps/nm . km i So == - 0,2 ps/nm 2 . km.
/
Swiatłowody kompensujące umieszczono co 100 km. Długość światłowodu
kompensującego tak dobrano by pełna kompensacja dyspersji chromatycznej
Tabela 4.4. Zmiany wartości dyspersji chromatycznej dla poszczególnych
kanałów WDM
1547,72 nm 1549,32 nm 1550,92 nm 1552,52 nm
Długość [km]
D [ps/nm]
100 -8,04 -402 --O 4,02
,
200 - 16,09 -8,04 --O 8,04
300 -24,14 -12,07 --O 12,07
400 - 32, 18 -16,09 --O 16,09
500 -40,23 -20,11 --O 20, 11
II1II........-
4.3. Dyspersja chromatyczna
121
nastąpiła tylko dla kanału 3. W tabeli 4.4 przedstawiono wartości dyspersji
chromatycznej w funkcji długości traktu światłowodowego dla każdego z kanałów
WDM na wyjściu światłowodu kompensującego. Analizując wyniki zawarte w tab.
4.4 widać wyraźnie jak duże znaczenie ma różnica między współczynnikiem
nachylenia charakterystyki dyspersji światłowodu stanowiącego trakt optoteleko-
munikacyjny i światłowodu kompensującego.
Warto tu podać przykład prostej analizy wpływu tłumienia i dyspersji chromatycznej
często stosowanej przy wstępnym projektowaniu systemu optotelekomunikacyjnego.
Załóżmy, że mamy do zaprojektowania łącze o długości 200 km, przez które ma
być transmitowany sygnał o przepływności 2,5 Gbit/s (STM-16). Dysponujemy
światłowodami standardowymi o tłumienności 0,25 dB/km i współczynniku
dyspersji chromatycznej 17 ps/nm. km. Czułość odbioru sygnału dla danego
odbiornika wynosi -18 dBm (dla BER == 10- 12 ), z kolei moc przesterowania tego
odbiornika jest równa -10 dBm (dla BER == 10- 12 ). Moc nadawana jest równa
5 dBm. Dopuszczalna wartość dyspersji chromatycznej dla systemu wynosi
1500 ps/nm. Dysponujemy wzmacniaczami optycznymi o wzmocnieniu 20 dB
i kompensatorami dyspersji chromatycznej o współczynniku dyspersji chromatycznej
równym - 800 ps/nm i o tłumieniu równym 6 dB. Całkowite tłumienie wnoszone
przez 200 km trakt światłowodowy wynosi 50 dB. Niezbędne jest więc zastosowanie
wzmacniaczy optycznych. Zakładamy zastosowanie 3 wzmacniaczy umieszczonych
na 40 km, 120 km i 200 km traktu. Zakładamy, że margines tłumienia dla
odcinków światłowodów znajdujących się między wzmacniaczami wynosi 3 dB.
Całkowita wartość dyspersji wynosi 3400 ps/nm. Niezbędne jest więc zastosowanie
kompensatorów dyspersji chromatycznej. Bez kompensatorów maksymalny zasięg
tego systemu wynosi bowiem tylko 88,2 km (1500/17 == 88,2 km). Jeżeli umieścimy
w trakcie 3 kompensatory dyspersji, to uzyskujemy 3400 ps/nm - 3 . 800 ps/nm ==
== 1000 ps/nm; co gwarantuje nam poprawną pracę systemu. Kompensatory
umieszczono przed stopniami wzmacniającymi. Analiza budżetu mocy wygląda
następująco.
Pierwszy odcinek:
Straty == 10 (tłumienie 40 km odcinka światłowodu) + 6 (tłumienie kompensatora
dyspersji) + 3 (margines).
Straty są równe: 19 dB.
Moc na wyjściu pierwszego odcinka jest równa: 5-19 == -14 dBm.
Moc na wyjściu pierwszego wzmacniacza wynosi - 14 + 20 == 6 dBm.
Drugi odcinek:
Straty == 20 (tłumienie 80 km odcinka światłowodu) + 6 (tłumienie kompensatora
dyspersji) + 3 (margines).
Straty są równe: 29 dB.
Moc na wyjściu drugiego odcinka jest równa: 6 - 29 == - 23 dBm.
Moc na wyjściu drugiego wzmacniacza wynosi: - 23 + 20 == - 3 dBm.
- -------------------------- ----- ---- ---- .._- --
122
Wybrane zagadnienia dotyczące projektowania systemów WOM
Trzeci odcinek:
Straty == 20 (tłumienie 80 km odcinka światłowodu) + 6 (tłumienie kompensatora
dyspersji) + 3 (margines).
Straty są równe: 29 dB.
Moc na wyjściu trzeciego odcinka jest równa: - 3 - 29 == - 32 dBm.
Moc na wyjściu trzeciego wzmacniacza i równocześnie całego toru wynosi
-32+20 == -12 dBm.
Czyli moc wyjściowa mieści się w przedziale ograniczonym przez czułość odbioru
(-18 dBm) i mocy przesterowania odbiornika (-10 dBm).
4.4. Dyspersja polaryzacyjna
Analiza statystyczna
Analizę wpływu dyspersji polaryzacyjnej na jakość działania systemów światło-
wodowych w praktyce przeprowadza się przy rozważaniu jakości pracy systemów
optotelekomunikacyjnych o bardzo dużych przepływnościach (od 10 Gbit/s).
Dyspersja polaryzacyjna na charakter statystyczny i jest definiowana jako wartość
średnia różnicowego opóźnienia grupowego. Wartość różnicowego opóźnienia
grupowego ulega zmianie, w sposób przypadkowy nie tylko w zakresie długości
fali, ale także i w czasie. Statystyczna natura zjawiska dyspersji polaryzacyjnej
powoduje, że na etapie projektowania systemu jest ona inaczej analizowana niż
dyspersja chromatyczna. W przypadku analizy dyspersji polaryzacyjnej przede
wszystkim musimy określić dopuszczalną, maksymalną wartość różnicowego
opóźnienia grupowego oraz prawdopodobieństwo przekroczenia tej wartości (P F ).
Przyjęło się zakładać, że to prawdopodobieństwo nie może przekroczyć wartości
6,5 . l 0- 8 [4. l O].
W celu prawidłowego oszacowania tego prawdopodobieństwa liczba analizowanych
próbek wartość dyspersji polaryzacyjnej (inaczej mówiąc odcinków światłowodów
o danej wartości współczynnika dyspersji polaryzacyjnej) powinna być możliwie
duża. Dalej postępujemy w następujący sposób [4.10]:
l. Spośród wszystkich próbek wybiera się, w sposób losowy, 20 odcinków
światłowodu o współczynniku dyspersji polaryzacyjnej równym Xk.
2. Wyznacza się wartość współczynnika dyspersji polaryzacyjnej dla łącza
składającego się z tych wybranych 20 odcinków światłowodów zgodnie z zależ-
nością [4.10]:
( 1 20 2 ) 1/2
Y == - L Xk
20 k = l
( 4.33)
Kwestią otwartą pozostaje to, jaka jest właściwa liczba wyznaczonych wartości
y tak, by przeprowadzana analiza była wiarygodna. Zaleca się by ta liczba była
dość duża i wynosiła przynajmniej 100 000.
--
--
4.4. Dyspersja polaryzacyjna
123
3. Zakłada się dopuszczalną, maksymalną wartość różnicowego opóźnienia
grupowego DGDmax. Wartość ta powinna być podana przez producenta systemu;
można ją również znaleźć w zaleceniach ITU- T.
4. Wyznacza się dopuszczalną, maksymalną wartość współczynnika dyspersji
polaryzacyjnej (P max) zgodnie z następującą zależnością [4.10]:
DGD max
P max == r;--- .
V L ref
(4.34)
gdzie L ref - długość łącza światłowodowego.
5. Oblicza się wartość Zi na podstawie następującej zależności [4.10]:
_ ( yJ + yJ + l ) 1/2
Zi - 2
( 4.35)
gdzie Yi i Yi - wartości współczynnika dyspersji polaryzacyjnej dla kolejnych łączy,
z których każde składa się z 20 odcinków światłowodu; zależność (4.33).
Przy założeniu, że liczba wyznaczonych wartości y jest równa 100 000, to liczba
wyznaczonych wartości z wynosi 50 000.
6. Oblicza się prawdopodobieństwo przekroczenia dopuszczalnej wartości dla
danego j-tego zestawu odcinków światłowodu. W tym celu korzystamy z zależności
[4.10]:
Pi ==
P max/Z)
J ( 4 ) 3/2 t2 [ 4 ]
1- 2 - exp --t 2 dt
n r(3/2) n
( 4.36)
o
gdzie r oznacza funkcję gamma.
7. Określamy całkowite prawdopodobieństwo przekroczenia dopuszczalnej wartości
dla całej populacji analizowanych próbek. To prawdopodobieństwo jest równe:
1
P F = 50000 LPj
J
( 4.37)
Na podstawie przedstawionej metody widać, że analiza statystyczna zjawiska
dyspersji polaryzacyjnej jest dość złożona.
Analiza uproszczona
W celu oszacowania wpływu dyspersji polaryzacyjnej na jakość pracy systemu
optotelekomunikacyjnego możemy także posłużyć się wielkością opisującą tzw.
prawdopodobieństwo wystąpienia przerwy w poprawnym działaniu systemu (ang.
outage probability) będącą miarą dostępności systemu. Zależność wiążąca różnicowe
opóźnienie grupowe (T g,r) z tą wielkością ma następującą postać [4.1]:
T
4F;
-J nA In (P outage)
( 4.38)
Tg,r
124
Wybrane zagadnienia dotyczące projektowania systemów WOM
przy czym: T - czas trwania bitu, POUfaKe - prawdopodobieństwo wystąpienia przerwy
w poprawnym działaniu systemu, P p - wartość dodatkowej utraty mocy optycznej (np.
jeżeli dodatkowa utrata mocy optycznej jest równa l dB, to wartość P p == l) oraz A jest
bezwymiarowym parametrem odbiornika zależnym od takich czynników jak: rodzaj
stosowanego kodu sygnału, szumy, parametry filtru elektrycznego [4.1]. Na przykład
dla odbiornika z fotodiodą typu pin i dla kodu odbieranego sygnału NRZ wartość
parametru A jest z zakresu od 10 do 40; a dla kodu RZ z zakresu od 20 do 40 [4.1].
Na rysunku 4.9 pokazano przebieg zmian ilorazu różnicowego opóźnienia
grupowego i czasu trwania bitu w funkcji prawdopodobieństwa wystąpienia
przerwy w poprawnym działaniu systemu [4.1].
Tg,/T
0,25 -
020 -
,
o 15 -
,
....
....
....
....
....
....
- - - - - - _ _ _ _ _ od RZ(A = 30), P p = 2 dB
.. .. .. ..
.. .. - ..
.. .. .. ..
.. .. .. ..
.. .. .. ..
.. .. .. .
....
....
....
....
........
....
....
....
....
............-....___ Kod RZ(A = 30), P p = 1 dB
----------------
....
0,10 - ........
....
....
....
....
. ....
-.
-.-
.-.-._._._ d RZ(A= 70), P p = 1 dB
-------------------
0,05
1 0- 3 1 0- 4 1 0- 5 1 0- 6 1 0- 7 1 0- 8 P outage
Rys. 4.9. Zmiana ilorazu różnicowego opóźnienia grupowego i czasu trwania bitu
w funkcji prawdopodobieństwa wystąpienia przerwy w poprawnym działaniu systemu
Dla prawdopodobieństwa Poutage == 10- 7 dla kodu RZ (A == 30, N == l) otrzymujemy
'g.r = 10%; z kolei dla kodu NRZ (A = 70, N = l) mamy 'g,r = 7%. W tych
T T
analizach kluczową rolę odgrywa parametr A. Jego dokładna znajomość warunkuje
prawidłowe oszacowanie prawdopodobieństwa Poutage.
4.5. Rozmieszczenie kanałów
Kanały systemu WDM powinny być rozmieszczane w jednakowych odległościach
zgodnie z siatką podaną w zaleceniach ITU-T G. 692 [4.11], G.694.1 [4.12] i G.
694.2 [4.13]. Wadą rozmieszczenia kanałów w jednakowej odległości jest to, że
--
4.5. Rozmieszczenie kanałów
125
powstające w wyniku zjawiska mieszania czterofalowego produkty nachodzą na
kanały użytkowe, co doprowadza do pogorszenia stosunku sygnału do szumu.
Jednym ze sposobów na eliminację negatywnego wpływu zjawiska mieszania
czterofalowego na działanie systemu jest zastosowanie nierównej odległości między
kanałami. Zagadnienie dotyczące rozmieszczania kanałów optycznych nie jest
proste. Z jednej strony dążymy do tego by na częstotliwościach kanałów użytkowych
nie występowały produkty mieszania czterofalowego, z drugiej strony musimy
pamiętać o tym, by odległości między kanałami były możliwie jak najmniejsze i by
wszystkie kanały znalazły się w zakresie pracy wzmacniaczy optycznych. Problem
optymalnego (z punktu widzenia eliminacji wpływu mieszania czterofalowego)
rozmieszczenia kanałów WDM często określany jest mianem problemu USC (ang.
Unequally Space Channels). Opisy metod optymalizacji nierównomiernego roz-
mieszczenia kanałów WDM można znaleźć np. w [4.14, 4.15, 4.16]. Poniżej
przedstawiono metodę przedstawioną w [4.16]. Na wstępie zakładamy, że pasmo
optyczne zajmowane przez wszystkie kanały danego systemu WDM jest dzielone
na M szczelin częstotliwościowych, każda o szerokości I1B oP1 ' liczba kanałów
wynosi N. Przyjmujemy, że fo jest częstotliwością środkową pierwszej szczeliny
częstotliwościowej, ]; jest częstotliwością środkową ni-tej szczeliny częstotliwoś-
ciowej, gdzie ni 1 oraz i == 1, 2,..., N. Wówczas]; == fo + (ni -1 )I1B, gdzie
nI == 1 i n N == M. Ze względu na to, że produkty mieszania czterofalowego
pojawiają się na częstotliwościach równych ];jk ==];+ jj-h (i, j 7; k), to
nijk == ni + n j - n k . Produkty mieszania czterofalowego nie są tworzone na częstot-
liwościach kanałów WDM, gdy odległości między kanałami WDM spełniają
warunek nj-n i 7; n,-n b dla każdego j > i oraz l > k z wyjątkiem przypadku
(i == k) 1\ (j == l). Przyjmujemy, że Sij == n j - ni oznacza odległość między szczeli-
nami częstotliwościowymi, mówiąc inaczej jest to odległość między kanałami
oczęstotli wości środkowej j; oraz jj.
Produkty mieszania czterofalowego nie są więc tworzone na częstotliwościach
kanałów WDM gdy:
S.. 7; S k ,
l,l '
( 4.39)
gdzie iE[I, j-l], jE[2, N], kE[l, l-l], IE[2, N] z wyjątkiem przypadku
(i == k) 1\ (j == l).
W ten sposób ogólna formuła dotycząca rozmieszczania kanałów jest następująca:
q-l
Sp. q == L Sr. r+ l
r=p
( 4.40)
Przy projektowaniu rozmieszczenia kanałów należy zwrócić uwagę na to, żeby
uzyskać jak najmniejsze pasmo zajmowane przez wszystkie rozlokowywane
kanały optyczne. Minimalne pasmo możemy określić w następujący sposób:
n N 1 + (N -1)(0,5N + d min -1)
(4.41 )
gdzie d min - minimalna odległość między kanałami.
126
Wybrane zagadnienia dotyczące projektowania systemów WOM
Na podstawie zależności (4.39) i (4.40) rozmieszczamy kanały w następujący sposób:
l. Przyjmujemy, że S 1.2 == d min , wtedy n2 == d min + 1.
2. Ustawiamy S2,3 == d min + 1, wtedy n3 == 2d min + 2.
3. Jeśli i 4, ustawiamy Si- l, i == d min + 2.
Później stosujemy zależność (4.40) do obliczenia (i - 2) odległości między
szczelinami częstotliwościowymi Sp, i dla p == 1, 2,..., i - 2.
4. Sprawdzamy wszystkie otrzymane Sk.l przy czym k E [1, l-l], l E [2, i].
Jeżeli zależność (4.39) nie jest spełniona, to zwiększamy wartość Si-I, i o l i powtarza-
my punkt 3. Jeśli zależność (4.39) jest spełniona, to wtedy ni == S], i+ l dla 4 i N.
5. Jeśli i < N, to zwiększamy i o l, przechodzimy do punktu 3.
6. Określamy wartości Jo i I1Bopt. Częstotliwość innych kanałów są dane przez
następującą zależność: Ił == lo + (ni - l ) I1B opt.
Rozpatrzmy jako przykład rozlokowanie 8 kanałów WDM przy przyjęciu d min == 6,
lo == 192,5 THz i I1Bopt == 20 GHz. Postępując zgodnie z punktami 1, 2, 3,
4 i 5 otrzymujemy układ {I, 7, 14, 22, 31, 41, 53, 64}. Korzystając z punktu
6 ustalamy częstotliwości poszczególnych kanałów WDM bez niebezpieczeństwa
wystąpienia w nich produktów mieszania czterofalowego. Są to następujące
częstotliwości {I92,50; 192.62; 192,76; 192,92; 193,10; 193,30; 193,54; 193,76} THz.
Warto się przyjrzeć jak ten problem opisuje jedno z zaleceń ITU-T. Zalecenie
G.692 dopuszcza nierównomierne rozmieszczenie kanałów. W zaleceniu G. 692
mamy gotowe wskazówki odnoszące się do sposobu rozmieszczania kanałów
optycznych. Jest to z jednej strony wygodne, ale z drugiej mało elastyczne. Przy
stosowaniu nierównych odległości między kanałami należy pamiętać o tym, że:
l. Kanały możemy lokalizować tylko na długościach fali, które określone są przez
siatkę ITU-T. Odległości między kanałami są całkowitymi wielokrotnościami
najmniejszej, dopuszczalnej odległości między nimi.
2. Wszystkie kanały muszą znajdować się w obrębie określonego pasma optycznego.
3. Przy dodaniu kolejnego kanału należy sprawdzić, czy jego pojawienie nie powoduje
wystąpienia produktu mieszania czterofalowego na długości fali kanału użytkowego.
W tabeli 4.5 przedstawiono przykład nierównomiernego rozmieszczenia kanałów
dla systemu WDM złożonego z 8 kanałów. Założono, że najmniejsza, dopuszczalna
odległość między kanałami wynosi t [4.11].
Przedstawione w tab. 4.5 rozmieszczenie gwarantuje, że produkty mieszania
czterofalowego nie pojawią się na długościach fali występowania kanałów
użytkowych.
W przypadku 8-kanałowego systemu i Js == 25 GHz należy postępować zgodnie
z następującymi zasadami:
l. Zajmowane pasmo przez kanały WDM nie powinno być większe od tego, które
zajmuje system 8-kanałowy z jednakową odległością między nimi równą 200 GHz.
Zapewnia to możliwość stosowania wzmacniacza optycznego typu EDF A z takim
. .
samym pasmem wzmocnIenIa.
4.5. Rozmieszczenie kanałów
127
Tabela 4.5. Przykład nie równomiernego rozmieszczenia kanałów
Minimum Odległości między kolejnymi kanałami Zajmowane
odległości między (1-22-33-44-55-66-77-8) pasmo
kanałami ' , , , , ,
1 x 's (1 x 's,3 x 's,5 x 's,6 x 's,7 x 's, 1 O x 's,2 x 's) 34 x t s
2 x 's (2 x 's,4 x 's, 1 O x 's,3 x 's,8 x 's,7 x 's,5 x 's) 39 x 's
(3 x 's,6 x 's, 11 x 's,5 x 's,2 x 's,8 x 's,4 x 's)
(2 x 's,6 x 's,5 x 's, 1 O x 's,4 x 's,3 x 's,9 x 's)
(3 x 's,7 x 's, 12 x 's,2 x 's,6 x 's,5 x 's,4 x 's)
(3 x 's,2 x 's,8 x 's,4 x t s ,7 x 's,9 x 's,6 x 's)
3 x 's (3 x 's,6 x 's,7 x 's,4 x 's,8 x 's, 1 O x 's,5 x 's) 43 x 's
4 x 's (8 x 's,9 x 's,7 x 's,6 x 's,5 x 's, 1 O x 's,4 x 's) 49 x 's
5 x 's (9 x 's,6 x 's,7 x 's, 1 O x 's,8 x 's, 11 x 's,5 x 's) 56 x 's
6 x 's (6 x 's,7 x 's,8 x 's,9 x 's, 1 O x t s' 12 x 's, 11 x 's) 63 x 's
2. Odległość między kanałami powinna być największa z dopuszczalnych przy
założeniu, że wszystkie kanały znajdą się w obrębie przyjętego pasma optycznego.
Odległość ta musi być wielokrotnością wartości i.. W naszym przypadku jest ona
równa 125 GHz (5 xi,).
3. Liczba możliwych ustawień kanałów spełniających wymaganie odnoszące się
do pasma optycznego i braku produktów mieszania czterofalowego w kanałach
użytkowych jest równa 206. Kanały mogą być ustawione np. w następujący
sposób: (5 xf." 6 x!s, 7 x!s, 8 x!s, 9 x!s, 10 Xf." 11 xi,).
W przypadku 8-kanałowego systemu i f., == 50 GHz należy postępować zgodnie
z następującymi zasadami:
l. Kanały powinny być umieszczone na długościach fali mniejszych od 1560 nm.
Zakłada się, że ze względu na wykorzystanie wzmacniaczy optycznych typu EDF A
kanały powinny zajmować pasmo nie większe niż 20 nm.
2. Najmniejsza odległość między kanałami powinna wynosić 150 GHz (3 x!s).
3. Jednym z optymalnych ustawień z punktu widzenia zajmowanego pasma i braku
produktów mieszania czterofalowego w kanałach użytkowych jest następujące
ustawienie: (3 xf,., 4 Xf." 5 xL, 6 xfn 7 x!s, 8 x!s, 10 x!s).
W przypadku 8-kanałowego systemu i!s == 100 GHz należy postępować zgodnie
z następującymi zasadami:
l. Wszystkie kanały powinny znajdować się w zakresie długości fali pracy
wzmacniaczy typu EDF A. Zakłada się, że jest to zakres od ] 530 nm do 1561 nm.
2. Minimalna odległość między kanałami powinna wynosić 200 GHz (2 x f.,).
3. Przykłady optymalnych rozmieszczeń kanałów: (2 xt, 3 x!s, 4 x!s, 5 x!s, 7 x!s,
8 x!s, 10 x!s), (2 x!s, 3 Xf." 4 x!s, 5 x!s, 6 xfn 8 xL, 11 x!s), (2 x!s, 3 Xf." 4 x!s,
5 x!s, 6 x!s, 9 x!s, 10 Xf.,), (2 x!s, 3 x!s, 4 x!s, 5 x!s, 6 x!s, 7 x!s, 12 xi,), (2 Xf."
3 x!s, 4 xf,., 6 x!s, 7 xf." 8 xi., 9 xt).
128
Wybrane zagadnienia dotyczące projektowania systemów WOM
Przy rozmieszczaniu kanałów należy zwrócić uwagę na kształt charakterystyki
wzmocnienia wzmacniacza; należy starać się by wszystkie kanały były możliwie
jednakowo wzmacniane.
Przy projektowaniu systemów z nierównomiernym rozmieszczeniem kanałów
należy także zwrócić uwagę na zmiany położenia kanału, która mogą być
spowodowane np. czynnikami środowiskowymi. Zakłada się, że minimalna
odległość między kanałem użytkowym, a najbliższym mu produktem mieszania
czterofalowego powinna być większa od podwojonej wartości stosowanej w sys-
temie przepływności (B). Spełnienie tego warunku gwarantuje brak pogorszenia
jakości pracy systemu. Przyjmuje się, że dopuszczalna zmiana, dewiacja częstot-
liwości (111) danego kanału musi spełniać warunek [4.11]:
-F - 2B
111' JS
Y" 4
(4.42)
W tabeli 4.6 przedstawiono wartości maksymalnej dopuszczalnej zmiany częstot-
liwości kanału przy założeniu przepływności na poziomie 2,5 Gbit/s i 10 Gbit/s
oraz przy najmniejszej, dopuszczalnej odległości między kanałami ts równej
50 GHz i 100 GHz.
Tabela 4.6. Maksymalna dopuszczalna wartość zmian częstotliwości
I'1t [GHz]
Przepływność [Gbit/s] ts = 50 GHz ts = 100 GHz
= 25 GHz ts
2,5 5,00 11,25 23,75
10 1,25 7,50 20,00
4.6. Zjawiska nieliniowe
Zjawiska nieliniowe mogą w dość istotny sposób wpływać na jakość pracy
systemów optotelekomunikacyjnych. To czy w danym systemie wystąpią efekty
nieliniowe, czy też nie zależy od następujących czynników: poziomu mocy
optycznej, wartości parametru nieliniowości światłowodu i długości światłowodu.
Można przyjąć, że zjawiska nieliniowe nie wystąpią, gdy długość traktu światło-
wodowego jest znacznie mniejsza od długości nieliniowej. Jak wiadomo długość
nieliniowa jest określana w następujący sposób [4.171:
l
L NL =
yPo
(4.43 )
gdzie Po - maksymalna moc impulsu optycznego, y - parametr nieliniowości,
który przyjmuje zwykle wartości z zakresu od l do 30 W-l. km-l. Przykładowo,
gdy mamy trakt optotelekomunikacyjny o długości 100 km składający się ze
światłowodów y = 30 W-l. km- l to, żeby zjawiska nieliniowe można było uznać
4.6. Zjawiska nieliniowe
129
za zaniedbywalnie małe, długość nie liniowa powinna wynosić przynajmniej około
1000 km. Jest to spełnione przy maksymalnej mocy optycznej w światłowodzie
równej w przybliżeniu 33 JlW.
W przypadku systemu WDM należy uwzględnić wpływ na jakość pracy systemu
następujących zjawisk nieliniowych, tj. mieszania czterofalowego, rozpraszania
Ramana oraz skrośnej modulacji fazy. W praktyce na etapie projektowania
systemu WDM, zjawisko mieszania czterofalowego uwzględniamy przy planowaniu
rozmieszczenia kanałów. W przypadku, gdy nie da się uniknąć obecności produktów
mieszania czterofalowego w kanałach użytkowych, należy rozpatrywać je jako
dodatkowy czynnik obniżający wartość stosunku sygnału do szumu.
Dla przypomnienia, poziom mocy optycznej produktu mieszania czterofalowego
pojawiającego się na częstotliwości fUk jest równy [4.18]:
( 1024n 2 ) 2 ( LSk ) 2
PUk === 11 4 2 2 (6Xllld PiPjPkexp(-aL)
n A c ASk
gdzie: XlIII - podatność nieliniowa trzeciego rzędu równa 6. 10- 15 cm 3 /erg,
n - współczynnik załamania, A - długość fali, c - prędkość światła, ASk - skuteczny
przekrój rdzenia światłowodu, Pi' Pj, Pk - moce optyczne na wejściu światłowodu
w kanałach i, j oraz k, 1] - współczynnik efektywności procesu mieszania
czterofalowego, LSk - skuteczna długość obszaru oddziaływania zjawiska nielinio-
wego, L - długość światłowodu i a - stała tłumienia.
Jeśli chodzi o rozpraszanie Ramana, to należy pamiętać o jego silnym wpływie na pracę
systemu w przypadku, gdy odległości między kanałami są na poziomie ok. 100 nm.
Wpływ skrośnej modulacji fazy na jakość pracy systemu można analizować z punktu
widzenia powodowanych przez to zjawisko zniekształceń kształtu impulsów
optycznych, prowadzących do pogorszenia stosunku sygnału do szumu. Zniekształ-
cenia powodowane przez skrośną modulację fazy odnoszą się do poziomu wysokiego
sygnału i można je potraktować jako swoisty czynnik szurnowy i uwzględnić go np.
przy obliczaniu parametru Q. W takim przypadku wartość parametru Q wynosi [4.1]:
( 4.44 )
Q = (/.lI - /.lo)
( aT + i t, aT.xPM + a o )
gdzie i - liczba par odziaływujących ze sobą kanałów.
Wartość aiPM można obliczyć na podstawie zniekształceń amplitudy sygnału.
Przyjmuje się, że całkowite zniekształcenie amplitudy sygnału powodowane przez
skrośną modulację fazy wynosi [4.1]:
( 4.45)
I1P d === Pp(O, ro)Hsp(ro)
( 4.46)
przy czym Pp(O, OJ) - moc optyczna na wejściu światłowodu przy danej pulsacji
OJ, z kolei Hsp(OJ) jest funkcją przenoszenia skrośnej modulacji fazy (ang. XPM
trans.fer Junction) [4.1]:
130
Wybrane zagadnienia dotyczące projektowania systemów WDM
( ( l-eXp(-a+jbl) )
Hsp (ffi) == 2jy exp U<J» o -
a- Jb l
0,h ( l-exp( -a+jb 2 ) ))
- exp ( - J 'fi ) o
a-Jb 2
gdzie: <J> == 0,5(P2 W2 ), b l == L(DI1AW - <J», b 2 == L(DI1AW + <J», gdzie: L - długość
toru światłowodowego, D - współczynnik dyspersji chromatycznej, I1A - odległość
między kanałami, a P2 - dyspersja prędkości grupowej.
Widać dość wyraźnie, że analiza wpływu zjawisk nieliniowych na działanie
systemów optotelekomunikacyjnych jest sprawą dość złożoną w porównaniu
z analizą np. wpływu dyspersji chromatycznej czy też tłumienia. W praktyce
w celu oceny wpływu zjawisk nieliniowych na jakość pracy systemu optoteleko-
munikacyjnego korzysta się z modelowania numerycznego zjawisk zachodzących
w światłowodach.
( 4.4 7)
4.7. Modelowanie numeryczne
Bardzo dobre wyniki w analizie pracy systemów światłowodowych daje modelo-
wanie numeryczne oparte na rozwiązaniu równaniu Schrodingera, pozwalające na
równoczesne uwzględnienie: strat mocy optycznej, dyspersji chromatycznej i zjawisk
nieliniowych.
Rozchodzenie się fali świetlnej w standardowym światłowodzie jednomodowym
opisuje się następującym równaniem [4.17]:
aA aA j a 2 A a o 2
az + P l at + 2 P2 af + 2 A = ]Y I A I A
( 4.48)
w którym współczynnik nieliniowości jest określony jako:
n2 ffio
y==
cAsk
n2 k
ASk
( 4.49)
przy czym ASk - skuteczny przekrój rdzenia światłowodu, W o - pulsacja nośnej.
Równanie (4.48) uwzględnia tłumienie (a), nieliniowość (y) i dyspersję (Pb P2),
przy czym obwiednia impulsu porusza się z prędkością grupową == l/P I' podczas
gdy dyspersja prędkości grupowej jest równa P2.
Zależność (4.48) można uzupełnić o trzy dodatkowe człony i przyjmuje wówczas
następującą postać [4.17]:
aA aA j a 2 A a o 2
az + P l at + 2 P2 af + 2 A = ]Y lA I A +
1 a 3 A a alAI2
+ 6 P3 af -al at (lA 1 2 A)-a2 A at
( 4.50)
--
4.7. Modelowanie numeryczne
131
Człon zawierający P3 uwzględnia efekty dyspersji wyższego rzędu, które stają się
istotne dla impulsów ultrakrótkich. Człon zawierający al wynika z uwzględnienia
pierwszej pochodnej wolnozmiennej części składowej nieliniowej polaryzacji. Od
niego zależy tzw. samostromość zbocza impulsu optycznego. Parametr al można
w przybliżeniu zapisać jako:
2y
al == -
CO o
(4.51 )
Parametr a2 jest zapisywany jako:
a2 == jyT R
gdzie T R - nachylenie współczynnika wzmocnienia Ramana.
Dokonując przekształcenia:
( 4.52)
z
T == t-- == t-PIZ
U g
( 4.53)
Stosując podane zależności otrzymujemy następujące równanie [4.17]:
aA j a 2 A l a 3 A a
az +2 J32 aT 2 -6 J33 aT 2 +2 A =
== j Y ( IAI2A + 3L a ( lA 12 A _ TRA alA 1 2 )]
CO o aT aT
(4.54)
Równanie to jest poprawne dla impulsów o szerokości do około 10 fs [49].
W przypadku impulsów o szerokości To ;::: 100 fs i OJoTo » l oraz TR/T o « l,
upraszcza się do postaci [4.17]:
. aA l a 2 A . a 2
J az - 2 J32 aT2 + J 2 A = - y lA I A
( 4.55)
W przypadku gdy a == O, równanie to nazywa się nieliniowym równaniem
Schrodingera.
W sytuacji analizy pracy systemów wielokanałowych trzeba uwzględnić nieliniowe
oddziaływanie między kanałami. Zależność (4.55) przekształca się do następującej
postaci [4.1]:
M ( aA l a 2 A a ) M
):' 1 j az m -2 J32 aT; +j2 Am = -Ym.n IAmA:Ap
( 4.56)
gdzie M - liczba impulsów światła znajdujących się w danym przedziale czasowym
(można przyjąć, że jest to liczba kanałów), symbol * oznacza wartość sprzężoną.
Składnik nielinowy znajdujący się po prawej stronie równania może być inter-
pretowany w następujący sposób: kiedy m == n == p mamy opis zjawiska samomo-
dulacji fazy, gdy m == n 7:- p lub m 7:- n == p mamy opis zjawiska skrośnej
132
Wybrane zagadnienia dotyczące projektowania systemów WDM
modulacji fazy, z kolei w przypadku, gdy m 7:- n 7:- p lub m 7:- p == n mamy opis
zjawiska mieszania czterofalowego.
Dla systemu WDM złożonego z trzech kanałów mamy następujący układ trzech
równań [4.1]:
- dla kanału pierwszego:
. aA l l a 2 A I a 2 2 2 2 *
J az - l J32 aT2 + j lAl = -y lAl I A I -2y(IA 2 1 + IA 3 1 )A l -yA 2 A 3
( 4.57)
- dla kanału drugiego:
. aA 2 l a 2 A 2 . a
J az -lJ32 aT 2 + J l A 2 =
== - y IA2/2 A 2 - 2y(IA 1/ 2 + IA312)A2 - yA IA;A3
( 4.58)
- dla kanału trzeciego:
. aA 1 l a 2 A 1 . a
J az -lJ32 aT + J l A 3 = -YIA312A3-2Y(IAd2+IA212)A3-yA A
( 4.59)
Pierwszy składnik sumy po prawej stronie równania opisuje zjawisko samomodulacji
fazy, drugi opisuje modulację skrośną fazy, a trzeci mieszanie czterofalowe.
Równanie opisujące rozchodzenie się fal świetlnych w światłowodzie jest
nie liniowym równaniem różniczkowym cząstkowym, które można rozwiązać
analitycznie tylko w szczególnym przypadku, tj. gdy pomija się straty światłowodu
i impuls wejściowy ma kształt secans hiperboliczny. Równanie to może być
wówczas rozwiązane tzw. odwrotną metodą rozpraszania [4.20]. W innych
przypadkach do jego rozwiązania należy zastosować metody numeryczne. Stoso-
wane metody numeryczne można podzielić na dwie grupy. Grupa pierwsza to
metody różnic skończonych (ang. Finite-D fferenee Methods). Grupa druga to
metody pseudowidmowe (ang. Pseudospeetral Methods). Metody różnic skoń-
czonych l110żna podzielić na dwie podgrupy, tj. metody jawne (ang. EXjJlieit
Methods) i metody uwikłane (ang. ImjJlicit Methods). Do metod jawnych zaliczamy
klasyczną metodę jawną (ang. Classical EX/Jlieit Method) i metodę "hopscotch"
(ang. HO/Jseoteh Method). Do metod uwikłanych należy metoda Crank-Nicolsona
(ang. Crank-Nieolson Im/Jlieit Seheme), metoda Ablowitza i Ladika (ang. Ablowitz
and Ladik Scheme) oraz metoda mieszana, w której do badania wpływu dyspersji
światłowodu stosuje metodę uwikłaną, a do analizy wpływu nieliniowości
światłowodu jedną z metod jawnych (ang. Inzplicit-ExjJlieit Method). Do metod
pseudowidmowych zaliczamy metodę dwukrokową (ang. Split-Ste/J Fourier Method)
i metodę pseudowidmową opracowaną przez Fornberga i Whithama (ang. Pseudo-
spectra l Method by Fornberg and Whitham) [4.191.
...
4.7. Modelowanie numeryczne
133
Okazuje się, że w miarę prostą i dokładną metodą do rozwiązania nieliniowego
równania Schrodingera jest metoda dwukrokowa. Zasadę metody dwukrokowej
można zobrazować, gdy równanie (4.54) przedstawi się w następującej postaci
[4.17]:
aA "- "-
== (D+N)A
az
( 4.60)
"-
gdzie: D - operator określający dyspersję chromatyczną i straty w ośrodku
"-
liniowym, N - operator nieliniowy określający efekty nieliniowe występujące
w światłowodzie podczas propagacji fali świetlnej.
Operatory te mają następującą postać [4.17]:
"- j 1 a
D = - 2 J32 a'f2 + (; J33 aT 3 - 2 (4.61)
[ 2. a a l AI2 J
N == jy IAI2+ J (IAI 2 A)-T R
coDA aT aT
( 4.62)
W przypadku impulsów o szerokości T();::: 100 fs i OJ()T() » l oraz TR/T()« 1
zależność (4.62) upraszcza się do postaci [4.17]:
N == jy lA 1 2 (4.63)
Metoda dwukrokowa polega na oddzielnym rozważaniu, na krótkim odcinku
światłowodu o długości h, wpływu oddziaływania na propagującą się falę świetlną
nieliniowości włókna optycznego i dyspersji. Przez każdy z takich krótkich
odcinków fala świetlna przenoszona jest dwukrotnie, raz jest on traktowany jako
odcinek nieliniowy, a drugi raz jako odcinek dyspersyjny.
Rozwiązanie równania Schrodingera odbywa się więc w dwóch krokach [4.19].
"-
W pierwszym kroku analizuje się tylko wpływ nieliniowości światłowodu (D == O).
"-
W drugim kroku analizuje się tylko wpływ dyspersji światłowodu (N == O).
Jeżeli obie strony równania (4.60) podzieli się przez A i pomnoży przez dz, to
otrzymujemy r 4.17]:
A-ldA == (D+Mdz (4.64)
Wykonując całkowanie odpowiednio względem amplitudy i odległości mamy [4.17]:
A(z+h) z+h z+h
A f A-ldA == f Ddz+ f Ndz
A (z) " z
( 4.65)
Wyznaczając całkę po lewej stronie równania i po przekształceniach uzyskujemy:
z+h z+h
InA(z+h)-lnA(z) == f Ddz+ f Ndz
( 4.66)
z
"
( A(Z+h» ) z+h,,- z+h "-
In == f Ddz+ f Ndz
A (z) z z
( 4.67)
134
Wybrane zagadnienia dotyczące projektowania systemów WDM
A (z + h) ( Z + h ) ( Z + h )
== exp f Ddz + exp f Ndz
A (z) z z
Otrzymujemy ostatecznie wyrażenie pozwalające na wyznaczenie rozkładu amp-
litudy A(z) w punkcie z + h:
( 4.68)
A(z+h) = exrrr DdZ) + exr(Zr NdZ)A(Z)
( 4.69)
" "
Jeżeli w zależności (4.68) całki oszacuje się jako hD i hN, to amplitudę w odległości
z + h można przedstawić w następującej postaci:
" "
A(z+h, T) == exp(hD) exp(hN)A(z, T)
(4.70)
W przypadku odcinka nieliniowego równanie to ma postać:
"
A(z+h, T) == exp(hN)A(z, T)
(4.71 )
"
Operator exp(hD), który reprezentuje odcinek dyspersyjny, rozpatruje się w dzie-
dzinie częstotliwości zgodnie z zależnością [4.17]:
A (z + h, T) == :3 -1 {expLhDUro)J:3 [Al (z + h, T)]}
(4.72)
W tej zależności :3 oznacza transformatę Fouriera, a :3 - l oznacza odwrotną
transformatę Fouriera.
" a
Operator DUro) otrzymuje się z zależności (4.61) przez zamianę najro, czyli [4.17]:
aT
.
" J 2 a
D == 2 P2 ro - 2
(4.73)
"
Operator DUro) zależy od ro, więc przy jego wyznaczeniu wykorzystuje się
przekształcenie Fouriera. Zaletą opisywanej metody jest duża szybkość uzyskania
rozwiązania i otrzymania wyników porównywalnych z wynikami otrzymanymi za
pomocą metod różnic skończonych.
W metodzie tej korzysta się powszechnie z właściwości szybkiej transformaty
Fouriera [4.19].
---
Literatura
135
Literatura
[4.1] I. Kaminov, T. Li: Optical fiber T elecommunications IVB. Systenls and impairments. Academic
Press, San Diego (Stany Zjednoczone) 2002
[4.2] Zalecenie ITU-T G. 692: Optical interfacesJor multichannel systems with optical amplifiers. 1998
[4.3] I. Kaminov, T. Li: Optical fiber Telecommunications IVA. Components. Academic Press, San
Diego (Stany Zjednoczone) 2002
[4.4] Zalecenie ITU-T G. 709/Y.1331: Interfaces Jor the Optical Transport Network (OTN). 2003
[4.5] Dokument ITU-T Suplement 39 do serii G: Optical system design and engineering considerations.
2006
[4.6] A. Gumaste, T. Antony: DWDM network designs and engineering solutions. Cisco Press,
Indianapolis (Stany Zjednoczone) 2002
[4.7] K. Perlicki: Pomiary w optycznych systemach telekomunikacyjnych. WKŁ, Warszawa 2002
[4.8] Zalecenie ITU-T G. 982: Optical access networks to support sen 7 ices up to the ISDN primary
rate or equivalent bit rates. 1996
[4.9] Zalecenie ITU-T G. 957: Optical interfaces Jor equipments and systems relating to the
synchronous digital hierarchy. 1999
[4.]0] Zalecenie ITU-T G. 650.2: Definitions and test methods Jor statistical and non-linear related
attributes oJ single-mode fibre and cable. 2005
[4.] 1] Zalecenie ITU-T G. 692: Optical interfacesJor multichannel systems with optical amplifiel:Jł;. 1998
[4.12] Zalecenie ITU-T G. 694.1: Spectral grids Jor WDM applications: DWDM frequency grid. 2002
[4.13] Zalecenie ITU-T G. 694.2: Spectral gridsfor WDM applications: CWDM wavelength grid. 2003
[4.14] F. Forghieri i inni: WDM systems with unequally spaced channels. Journal of Lightwave
Technology, vol. 13, nr 5, str. 889-897, 1995
[4.15] B. Hwang, O. K. Tonguz: A generalized suboptimum unequally spaced channel allocation
technique-part I: in IM/DD WDM systems. IEEE Transactions On Communications, vol. 46,
nr 8, str. 1027-1037, 1998
[4.16] J. G. Zhang, A.B. Sharma: Fast Jrequency allocation in WDM systems with unequally spaced
channels. Electronics Letters, vol. 39, nr 5, str. 450-452, 2003
[4.17] G.P. Agrawal: Nonlinear.fiber optics. Academic Press Inc., New York 1989
[4.18] N. Shibata i inni: Phase-mismatch dependence oJ efficiency oJ wave generation through
Jour-wave mixing in a single-mode optical fiber. lEE E Journal of Quantum Electronics, vol.
QE-23, nr 7, str. 1205-1210,1987
[4.19] K. Perlicki: Transmisja wykorzystująca zjawisko światłowodowej konwersji modulacji częstot-
liwości na modulację amplitudy o dwupoziomowym optycznym sygnale wyjściowym (rozprawa
doktorska). Politechnika Warszawska; Wydział Elektroniki i Technik Informacyjnych, Warszawa
1999
Rozdział
Organizacja systemów WDM
5.1. Budowa optycznej sieci transportowej
Optyczna sieć transportowa (ang. OTN - Optical Transport Network) jest siecią,
której działanie jest oparte na technice zwielokrotnienia falowego. Zadaniem
optycznej sieci transportowej jest zapewnienie prawidłowego funkcjonowania:
zestawiania kanałów optycznych, zwielokrotniania kanałów optycznych, przekie-
rowywania kanałów optycznych, bezbłędnej transmisji danych użytkownika
(zwanych również danymi klienckimi). Pomysł optycznej sieci transportowej
opiera się na zastosowaniu opakowań cyfrowych (ang. digital wrapping) i prze-
twarzaniu danych zawartych w ich nagłówkach, bez ingerencji w same dane
Multiplekser
opty zny
Zakończenie
kanału optycznego
Multiplekser
optyczny
A1
Wzmacniacz
optyczny
Zakończenie
kanału optycznego
Wzmacniacz
optyczny
A1
A.
I
Ai
A2
A2
LAi
.
.
.
.
r
An
An
r
I
I
I
I
I
I Sekqa Sekqa
I transmisji optycznej transmisji optycznej
Iti( . oC
I I
I .
I
1 Sekcja multipleksacji optycznej
loC
I
I
I
I
I
I
Sekcja I
transmisji optycznej I
. oC .'
I I
I
I
I
.1
I
Kanał optyczny n
Iti(
I
.1
I
Rys. 5.1. Ilustracja podziału systemu transmisji optycznej na poszczególne warstwy
.....
5. 1. Budowa optycznej sieci transportowej
137
użytkownika [5.1]. Dlatego też opakowania cyfrowe można uznać za jeden
z podstawowych mechanizmów zapewniających przezroczystość optycznej sieci
transportowej.
W optycznej sieci transportowej możemy wyodrębnić następujące warstwy: warstwę
kanału optycznego (ang. optical channel), warstwę sekcji zwielokrotnienia, czyli
multipleksacji optycznej (ang. optical multiplex section), warstwę sekcji transmisji
optycznej (ang. optical transmission section). Dodatkowo, wyróżniana jest również
warstwa medium fizycznego (ang. physical media layer), która określa rodzaj
stosowanego światłowodu [5.2]. Na rysunku 5.1 przedstawiono podział optycznej
sieci transportowej na poszczególne warstwy. Z kolei na rys. 5.2 pokazano sposób
rozdzielania informacji z poszczególnych warstw optycznej sieci transportowej.
l
Dane użytkownika (klienckie) I
/
/
/
/
/
/
/
/
/
/
/
/
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
Warstwa
kanału
optycznego
Nagłówek
k ł t Dane kanału optycznego
ana u op ycznego
\
\
\
\
\
\
\
\
\
\
\
\ \
\ \
\ \
\ \
\\
\\
Warstwa
sekcji
zwielokrotnienia
optycznego
Nagłówek sekcji
zwielokrotnienia
optycznego
....
....
....
....
....
....
....
....
....
Warstwa
se kcj i
transmisji
optycznej
....
.. . .
Nagłówek sekcji . . ..
. . . u .
.:......:.".
...... o..
transmisji . . . .".
optycznej .. ".0°
. . .. . .
. . ..
.. . .
. ..
" -,.
....
....
....
....
....
....
....
....
osc
1\
I \
I \
I \
I \
I '
I
I
I
I
I
I
I
I
I
I
I
I
I
I
I
I
Dane sekcji
zwielokrotnienia
optycznego
Dane sekcji
transmisji optycznej
,
,
,
,
,
J
/
/
/
/
/
Długość fali
Rys. 5.2. Sposób przenoszenia informacji z poszczególnych warstw optycznej sieci
transportowej, OSC (ang. Optical Supervisory Channe - kanał nadzorczy
Warstwa kanału optycznego
Zadaniem warstwy kanału optycznego jest przeniesienie danych użytkownika
w sposób przezroczysty przez sieć optyczną bez względu na stosowany rodzaj
protokołu.
138
Organizacja systemów WDM
Warstwa ta ma za zadanie [5.3]:
- przegrupowywanie połączeń kanału optycznego w celu zapewnienia pełnej
elastyczności rutingu w sieci optycznej,
- zapewnienie spójności przesyłanych danych za pomocą przetwarzania informacji
zawartych w nagłówku sygnałów kanału optycznego,
- realizację funkcji eksploatacji, zarządzania i kontroli w celu zapewnienia
niezawodnej transmisji i odpowiedniej jej jakości.
W warstwie kanału optycznego są wykorzystywane następujące funkcje związane
z zarządzaniem:
- nadzorowanie ciągłości pracy za pomocą detekcji utraty ciągłości (ang. loss of
continuity ),
- nad orowanie połączenia za pomocą identyfikacji trasy szlaku (ang. traił trace
ide n tifica tion ),
- dostarczanie informacji związanych z zarządzaniem za pomocą: wskazania
uszkodzenia w przód (ang. forward defect indication), wskazania uszkodzenia
w tył (ang. backward defect indication) i wskazania jakości w tył (ang.
backward quality indication),
- nadzorowanie jakości sygnału poprzez monitorowanie wydajności (ang. perfor-
mance monitoring),
- zarządzanie tzw. adaptacją przez wskazanie typu pola użytkowego (ang. payload
type indication),
- kontrolowanie zabezpieczeń za pomocą protokołu automatycznego przełączania
na protekcję (ang. automatic protection switching protocol),
- nadzorowanie połączeń za pomocą monitorowania.
Warstwa sekcji zwielokrotnienia optycznego
Zadaniem warstwy sekcji zwielokrotnienia optycznego jest właściwa obsługa
sygnału ze zwielokrotnieniem falowym (w skrajnym przypadku mamy do czynienia
z jednym kanałem optycznym).
Warstwa ta ma za zadanie [5.3]:
- zapewnienie spójności przesyłanych danych za pomocą przetwarzania informacji
zawartych w nagłówku sygnału sekcji zwielokrotnienia optycznego,
- realizację funkcji eksploatacji, zarządzania i kontroli w celu zapewnienia
niezawodnej transmisji i odpowiedniej jej jakości.
W warstwie sekcji zwielokrotnienia optycznego są wykorzystywane następujące
funkcje związane z zarządzaniem:
- nadzorowanie ciągłości pracy za pomocą detekcji utraty ciągłości,
- nadzorowanie połączenia za pomocą identyfikacji szlaku,
- dostarczanie informacji związanych z zarządzaniem za pomocą: wskazania
uszkodzenia w przód, wskazania uszkodzenia w tył i wskazania jakości w tył,
- nadzorowanie jakości sygnału przez monitorowanie,
- zarządzanie tzw. adaptacją przez wskazanie typu pola użytkowego,
-
5.2. Jednostki przesyłania danych
139
- kontrolowanie zabezpieczeń za pomocą protokołu automatycznego przełączania
na protekcję,
- nadzorowanie połączeń za pomocą monitorowania,
- zapewnienie komunikacji zarządzającej przez kanał informacyjny związany
z procesem zarządzania.
Warstwa sekcji transmisji optycznej
Warstwa sekcji transmisji optycznej ma za zadanie umożliwienie fizycznej transmisji
sygnału. W warstwie tej określa się parametry fizyczne sygnału optycznego m.in.:
długość fali, poziom mocy optycznej sygnału oraz stosunek sygnału do szumu.
Warstwa ta ma za zadanie [5.3]:
- zapewnienie spójności przesyłanych danych za pomocą przetwarzania informacji
zawartych w nagłówku sygnału sekcji transmisji optycznej,
- realizację funkcji eksploatacji, zarządzania i kontroli w celu zapewnienia
niezawodnej transmisji i odpowiedniej jej jakości.
W warstwie sekcji transmisji optycznej są wykorzystywane następujące funkcje
związane z zarządzaniem:
- nadzorowanie ciągłości pracy za pomocą detekcji utraty ciągłości,
- nadzorowanie połączenia za pomocą identyfikacji szlaku,
- dostarczanie informacji związanych z zarządzaniem za pomocą wskazania
uszkodzenia w przód, wskazania uszkodzenia w tył i wskazania jakości w tył,
- nadzorowanie jakości sygnału poprzez monitorowanie,
- kontrolowanie zabezpieczeń za pomocą protokołu automatycznego przełączania
na protekcję,
- nadzorowanie połączeń za pomocą monitorowania,
- zapewnienie komunikacji zarządzającej przez kanał informacyjny związanej
z procesem zarządzania.
5.2. Jednostki przesyłania danych
W optycznej sieci transportowej występują trzy jednostki przesyłania danych, które
są przenoszone w kanale optycznym. Wyróżniamy następujące jednostki [5.2]:
- jednostkę pola użytkowego kanału optycznego (ang. OPU - Optical channel
Payload Unit),
- jednostkę danych kanału optycznego (ang. ODU - Optical channel Data Unit),
- jednostkę transportową kanału optycznego (ang. OTU - Optical channel
Transport Unit).
Przyjęto, że w celu określenia przepływności po nazwie danej jednostki wprowadza
się indeks k; i tak np. indeks k == l określa przepływność STM-16 (2,5 Gbit/s),
indeks k == 2 STM-64 (10 Gbit/s), a k == 3 STM-256 (40 Gbit/s).
Jednostka OPUk
Jednostka OPUk ma za zadanie adaptację w kanale optycznym danych użytkownika
i ich dostosowanie do przepływności kanału optycznego. Jednostka OPUk
140
Organizacja systemów WDM
15 16 17
3824
1
.::.::.
::>
(L
O
.::.::.
(])
'0
-
O'>
ro
Z
Pole użytkowe OPUk
4x3808 bajtów
2
3
4
Rys. 5.3. Budowa jednostki OPUk
składa się z pola użytkowego (ang. fJayload area) i nagłówka (ang. overhead)
(rys. 5.3).
Kolumny 15 i 16 w jednostce OPUk są zarezerwowane dla nagłówka, a kolumny
od 17 do 3824 stanowią pole użytkowe.
Jednostka ODUk
Jednostka danych kanału optycznego jest odpowiedzialna za zarządzanie ścieżką
połączenia. Jej budowę przedstawiono na rys. 5.4.
1
3824
14 15
1
." .' ';> '
.'
:
.' '. .'
.::.::.
::>
o OPUk
O 4x3808 bajtów
.::.::.
(])
'0
-
O'>
ro
Z
2
3
4
- -.:i -;: ---:-.._ j .- ;:-; . _ - __:"
____ - _--.:-.0".--
.-------.---"' ."
.:". ::-:.: '--'::.1 , - - - .::.":."-,,-;".."
Miejsce zarezerwowane dla
nagłówka OTUk i wyrównania ramki
:.---: :.:,'
.".---. ",
- --. ." ." -
- .--.':--,"--'.--.; ,:-:.:
. .'
- - - .-
- ".- .---.'"';":-: --.'
Rys. 5.4. Budowa jednostki ODUk
Jednostka OTUk
Jednostka transportowa kanału optycznego odpowiada za tzw. sekcję, przez którą
jest transmitowany sygnał. Sekcja jest określana jako odcinek między dwoma
urządzenia zapewniającymi funkcję regeneracji typu 3R. Każda sekcja składa się
z pary łączy przesyłających sygnał w obu kierunkach. Podstawowym zadaniem
jednostki tego typu jest zapewnienie rozpoznania i synchronizacji sygnału
przenoszonego w kanale optycznym i przeprowadzanie korekty błędów [5.2].
Na rysunku 5.5 przedstawiono strukturę jednostki OTUk.
-
5.2. Jednostki przesyłania danych
141
1
3824
1
2
ODUk
3
4
1
14 15
."
3824 3825
4080
1
FA OH OTUk OH
OTUkFEC
RS (255, 239)
4x256 bajtów
2
3
4
OTUk
FA OH - nagłówek wyrównania ramki
OTUk OH - nagłówek OTUk
Rys. 5.5. Budowa jednostki OTUk
Jednostka OTUk składa się z przynajmniej jednej jednostki ODUk (kolumny
15- 3824), nagłówka (kolurnny 1-14) i kilku bajtów związanych z korektą błędów
(kolurnny 3825-4080). W tabelach 5.1, 5.2 i 5.3 umieszczono wartości przepływ-
ności jednostek OPUk, ODUk i OTUk.
Tabela 5.1. Przepływności sygnału użytkownika i dopuszczalne ich odchyłki
dla jednostki OPUk
Typ jednostki Przepływność sygnału użytkownika Dopuszczalna odchyłka
OPU1 2 488 320 kbit/s
OPU2 9 995276,962 kbitJs + 20 ppm
OPU3 40150519,322 kbitJs
Tabela 5.2. Przepływności sygnału jednostki ODUk i dopuszczalne ich odchyłki
Typ jednostki Przepływność ODU Dopuszczalna odchyłka
ODU1 2498 775, 126 kbitJs
ODU2 1 O 037273,924 kbitJs + 20 ppm
ODU3 40319218,983 kbitJs
142
Organizacja systemów WDM
Tabela 5.3. Przepływności jednostki OTUk i dopuszczalne ich odchyłki
Typ jednostki Przepływność OTU Dopuszczalna odchyłka
OTU1 2 666 057,143 kbitJs
OTU2 10 709 225,316 kbitJs + 20 ppm
OTU3 43 018 413,559 kbit/s
W tabeli 5.4 umieszczono informacje na temat czasu trwania ramek jednostek
kanału optycznego.
Tabela 5.4. Czas trwania ramek jednostek kanału optycznego
Typ OTU/ODU/OPU Czas trwania
OTU 1 lODU 1 10PU 1 48,971 J.1S
OTU2/0DU2/0PU2 1 2, 1 91 J.1S
OTU3/0DU3/0PU3 3,035 J.1S
5.3. Nagłówki
Nagłówek jednostki pola użytkowego kanału optycznego
Nagłówek jednostki pola użytkowego kanału optycznego (ang. OPU OH - Optical
channel Payload Unit OverHead) zawiera informacje dotyczące formatu danych
sygnału użytkownika.
Nagłówek OPUk (rys. 5.6) składa się z [5.2]:
l. Identyfikatora struktury pola użytkowego (ang. PSI - Payload Structure
ldentifier) zawierającego informację na temat typu pola użytkowego (ang. PT
- Payload Type).
1
7
8
14 15 16
. ." ".. .' .",. -. .0"0 . .......... .... . ::........ ....... ....,. ...... :-". .:: ".". .
1 . Nągłówek wyrPVłł'Tęntęrąn'1 ki . ... ." .'
2.
3 ... '.
. . .
. .".
." . ..
."." .
. .-" ...
- . .. . . .
.. .. ... .
." .- 0.- ."
".-.- -.": ...... .
4 '., .... ". .
. .
. . .. . .-
. .
. .
.ODUk nagłówek .
. Odwzoro-
wanie
I proces
. łączenia
. . -".. .
. ."..
.' .
. ..
. .. . ..
.-. .
. .
0-. . ". "._ :....
. . . .
. .-. .".
. .- . . ."
. .
.. .
. .... .
. PSI
--,....
",
",
,.'
"
.'
...,..;"
,.'
,.'
"
"
",
"
"
,.'
"
o
1
,
PT
...
Odwzorowanie
i proces łączenia
. .
Rys. 5.6. Budowa nagłówka OPUk
.
255
5.3. Nagłówki 143
2. Nagłówka związanego z procesem łączenia.
3. Nagłówka związanego z odwzorowaniem sygnałów użytkownika w polu
użytkowym jednostki OPUka
Nagłówek jednostki danych kanału optycznego
Nagłówek jednostki danych kanału optycznego (ang. ODU OH - Optical channel
Data Unit OverHead) jest odpowiedzialny za przenoszenie informacji, które
dotyczą występowania w sieci błędów, protekcji i połączeń tandemowych. Warto
wspomnieć, że sześć pól nagłówka jednostki ODUk służy tylko do monitorowania
połączeń tandemowym (ang. TCM - Tandem Connection Monitoring).
Budowę nagłówka ODUk przedstawiono na rys. 5.7.
1
2
3
4
5
6
7
8
9 10 11 12 13 14 15 16
2
1 .... ........... .. ':,:Nągł YlękW)'ro n fłi :f njkj '.;' ...... ............: .';..
TMC
ACT
TCM2
';::'" ........ ......:'.. . N ;'/\!:!ł gł " W : k "' O "": T i U ;"';' : k "':":Y'/ ..', .
." .." ........Q -U-g .... .... .......
:. -. ...". "., ;".' ':.:: ." .:": :' . '.:.' . -.' ....::.. "',: . ':"., : . : . "..". :'.": ": ":'.;: '," ':"" .:.:
RES
TCM6
TCM5
TCM4
. .
.. .
. . ." .
:. ,""."0:. ..'.,
EX F p TFU
. .:"."...: ":".". .'.. .:'. . : '. . . . ". ",":: . ".
". ".:'::::.:': . . .' .' .
3
TCM3
TCM1
PM
4 GCC1
. .'. ,:. ::(.' ;::: r :::....) :..:;; ) .:.\ :\\ ..= :':: ':
GCC2
APS/PCC
RES
Rys. 5.7. Budowa nagłówka ODUk
W obrębie nagłówka ODUk występują następujące pola [5.2]:
1. Nagłówek monitorowania ścieżki ODUk (ang. PM - ODUk path monitoring).
Pole to składa się z podpola zawierającego: identyfikator trasy szlaku (ang. TTI
- Trail Trace ldentifier), przeplotową kontrolę parzystości z podziałem na 8 bloków
(ang. BIP-8 - Bit lnterleaved Parity), wskazanie uszkodzenia w tył (ang. BDI
- Backward Defect lndication), wskazanie błędu w tył (ang. BEl - Backward Error
lndication) oraz tzw. bity statusu wskazujące obecność sygnału utrzymaniowego
(ang. STAT - STATus bits indicating the presence of a maintenance signal).
2. Nagłówek monitorowania połączenia tandemowego ODUk (ang. TCM - ODUk
Tandem Connection Monitoring).
Pola przeznaczone na nagłówki monitorowania połączenia tandemowego mają za
zadanie:
a) monitorowanie połączenia tandemowego optycznych interfejsów jednostek
sieciowych (ang. Unit Network Interface to Unit Network lnterface tandem
connection monitoring),
b) monitorowanie połączenia tandemowego optycznych interfejsów węzłów
sieciowych (ang. Network Node Interface to Network Node lnterface tandem
connection monitoring),
c) monitorowanie tzw. podwarstwy pod kątem warunków przeprowadzania
przełączania zabezpieczającego, typu 1 + 1, 1: 1 i 1 :n, połączenia podsieci kanału
optycznego w celu określenia warunków degradacji czy też utraty sygnału,
144
Organizacja systemów WDM
d) monitorowanie tzw. podwarstwy pod kątem warunków przeprowadzania
przełączania zabezpieczającego typu SPring (ang. Shared Protection ring) kanału
optycznego w celu określenia warunków degradacji czy też utraty sygnału,
e) monitorowanie połączenia tandemowego kanału optycznego w celu detekcji
degradacji lub utraty sygnału w istniejącym połączeniu,
f) monitorowanie połączenia tandemowego kanału optycznego w celu lokalizacji
degradacji czy też weryfikacji jakości transmitowanego sygnału.
Każde z pól typu TCM zawiera następujące podpola:
- identyfikator trasy szlaku (ang. TTI - Trail Trace ldentifier),
- przeplotową kontrolę parzystości z podziałem na 8 bloków (ang. BIP-8 - Bit
lnterleaved Pa rit y),
- wskazanie uszkodzenia w tył (ang. BDI - Backward Defect lndication),
- wskazanie błędu w tył i błędu przychodzącego wyrównania w tył (ang.
BEI/BIAE - Backward Error IndicationlBackward lncoming Alignment Error),
- bity statusu wskazujące obecność sygnału utrzyrnaniowego (ang. STAT - STATus
bits indicating the presence o.f a maintenance signal).
3. Ogólne kanały komunikacyjne ODUk (ang. OCCl, OCC2 - ODUk General
Communication Channels).
Pola te służą do utrzymania kanałów komunikacyjnych rniędzy dwoma elementami
sieci z dostępem struktury ramki ODUk (elementami sieci mogą być np. punkty
regeneracji typu 3R).
4. Automatyczne przełączanie zabezpieczające ODUk i kanał komunikacji zabez-
pieczającej (ang. APS/PCC - ODUk Automatic Protection SwitchinglProtection
Communication Channel).
Pole to jest przeznaczone do monitorowania połączenia określonego przez wartość
pola sygnału wyrównania wieloramki (ang. MFAS - MultiFrame Alignment Signal).
Jeżeli w tym polu maIny wartość 000, to pole APS/PCC jest wykorzystywane przy
monitorowaniu ścieżki ODUk. Jeżeli wartość MFAS jest z przedziału od 001 do 110,
to pole APS/PCC jest wykorzystywane przy monitorowaniu kolejnych TCM. Przy
wartości MFAS 111 lnamy do czynienia z ITIonitorowaniem sekcji OTUk.
5. Powiadomienie o typie uszkodzenia i lokalizacja uszkodzenia (ang. FTFI
- ODUk Fault Type and Fault Location reporting conununication channel).
Pole to jest podzielona na dwa podpola związane ze wskazaniem w przód i w tył.
Każde z nich składa się z:
- pola wskazującego typ uszkodzenia (ang. fault indication field),
- pola identyfikatora operatora (ang. operator identifier field),
- pola określonego operatora (ang. operator-specific field).
Obecnie stosowane są następujące kody typu uszkodzenia (tab. 5.5).
Pole identyfikatora operatora składa się z dwóch podpóL tj. pola części rniędzy-
narodowej (ang. international segment field) i pola części krajowej (ang. national
segment field). Pozwala to na pełną identyfikację operatora. Z kolei pola określonego
operatora jeszcze nie zdefiniowano.
5.3. Nagłówki
145
Tabela 5.5. Kody typów uszkodzeń
Kod uszkodzenia Opis
0000 0000 Brak uszkodzenia
0000 0001 Uszkodzenie sygnału
0000 0010 Degradacja sygnału
0000 0011 Pola jeszcze nie
... wykorzystywane
1 1 1 1 1 1 1 1
6. Doświadczalny nagłówek ODUk (ang. EXP - ODUk EXPerimental overhead).
Nagłówek ten pozwala dostawcom sprzętu lub operatorom na realizację aplikacji
wymagających dodatkowego nagłówka ODUk.
7. Nagłówek rezerwowy ODUk (ang. RES - ODUk REServed overhead).
Jest on przeznaczony do przyszłych, jeszcze nie zdefiniowanych zastosowań;
obecnie w tym polu ustawione są zera.
8. Nagłówek wyrównania ramki (ang. Jrame alignment overhead)
Na rysunku 5.8 pokazano budowę nagłówka wyrównania ramki. Nagłówek ten ma
taką samą budowę dla ODUk i OTUk.
1
2
3
4
5
6
7
8
9 10 11 12 13 14 15 16
1
FAS
. ."."
MFAS.',.....
. .
. ". .' .," "."
. .
-" '.'
. ..
2 ',:... .... '...'...
: . '; :': .:.... "'.:" ........ .. .... ::......:....< ... ; :.:..;:: .::...,'-:..........:..:....;..:.:...:.:..:...:
'". "... .' . ..... ..".".
.:. .." ". .'". .' .,":.
.. . . ...... ....." . .
..... .": .". .." ":...
". ...., :".:: .::..... .
3 . ..
. . .' .
. ..
'. ." ."."
. .
. . . ....
. -
.". .," - ".".". ."'
. .. .". . ."' .
. :. .'. . . . .
. ..
. .
4 . .. .
.' .." .
Rys. 5.8. Budowa nagłówka wyrównania ramki
Możemy tu wyróżnić sygnał wyrównania ramki (ang. FAS - Frame Alignment
Signal) i sygnał wyrównania wieloramki (MF AS).
Nagłówek jednostki transportu kanału optycznego
Informacje zawarte w nagłówku jednostki transportu kanału optycznego (ang.
OTUk OH - Optical channel Transport Unit OverHead) służą do wspomagania
przesyłania danych przez kanał optyczny [5.2].
Na rysunku 5.9 pokazano budowę nagłówka OTUk.
Pole SM w nagłówku stanowi nagłówek monitorowania sekcji OTUk (ang. SM - OTUk
Section Monitoring). Pole te składa się z kilku podpól, tj. z podpola zawierającego [5.2]:
- identyfikator trasy szlaku (ang. TTI - Trail Trace ldentifier),
- przeplotową kontrolę parzystości z podziałem na 8 bloków (ang. BIP-8 - Bit
lnterleaved Parity),
146
Organizacja systemów WDM
1
2
3
4
5
6
7
8
9
SM
10
11 12
GCCO
2
. . .. .
. ".." ",- . ." ". . "," ".
.- . .' . ....."... . '.
... . .
.. .
". ...... :..:" ........ .". ." ......
.." .
. .
'. . .
3 '. ..'
. -' . .
. . ..
. '.
.....:..".": : "." ",_:.",.".. .': ..... .....: ".: "':.' .....".". :"' o"." ...... ".'
. . .
. ." . '." . . ." '. ."
. : . ....." .::. ".. . ". .". .'
. .....,'..... :.: '. ..'.:..,.:..,.... "'.".:"., .....:. :..... ." ...., .....:. . ". ".
. _. .
: ,<' . ':\c-. ..........>'.',;: ............... " .'. '.
. . . . ". . : . .."
. . . .
. . . ."
. ..
. '. '. .
...... .... ..:.- ". .:. ."
. ..
."." .
. .... .". .'".
13 14 15 16
. ". ..:.:...,.: ." ..... ".:". .",".:."
.' ':'. :.",: . .' :...".... ."
RES ....... .....
':". :,; < '
.' .......... '.. ". ."." .... . ." ....... Q..,.
,<'" .:.0 '. .
..: .'.......... .'; ...... '. ....,. . ..:::Iit. '. ·
. a> .
..>....,'.':1..:... ..:.... '
"'," ....,.
.z
1 . :;;:.' .gi)Wę WY ,, (łi ,rałTł.ki :" 'Y: ·
. .."
.." .
. . '. '.
- . . '.
. .".".
. .
. .
." '". '..... .'
4." .
. ." '. .
. . ....' ,'............... ..... N ' s ' g . łów '.. . ek ' . 0 ' .. C .... U . ' k ..... . . . .'
. .... . - .' . ." .'_.
. . .' . ".' "..". '. ". .:... :.. .: . : . :' : , . .: . . : .' .,:. ,. ..' , . ..
. :. .. ...... ......., .......... ....... . ....: . . ' ..
.-.. ....
. . .
Rys. 5.9. Budowa nagłówka OTUk
- wskazanie uszkodzenia w tył (ang. BDI - Backward Defect lndication),
- wskazanie błędu w tył i błędu przychodzącego wyrównania w tył (ang.
BEUBIAE - Backward Error lndicationlBackward Incoming Alignment Error),
- bity rezerwowe.
Pole GCCO jest ogólnym kanałem komunikacyjnym OTUk (ang. GCCO - OTUk
general communication channel O). Pole to służy do utrzymania kanału komuni-
kacyjnego między punktami zakończeniowyrni OTUk.
Pole RES to pole rezerwowe (ang. RES - OTUk REServed), przeznaczone do
przyszłych zastosowań, obecnie w tym polu ustawione są zera.
Występujący w tym nagłówku nagłówek wyrównania ramki ma taką samą budowę
jak w przypadku nagłówka ODUk.
Nagłówek kanału optycznego
Nagłówek kanału optycznego (ang. OCh OH - Optical channel OverHead) zawiera
dane wykorzystywane do zarządzania i detekcji uszkodzeń na poziomie kanałów
optycznych. Informacja zawarta w tym nagłówku jest dodawana do jednostki
OTUk w celu utworzenia kanału optycznego.
Wyróżnia się trzy typy nagłówków kanału optycznego. Pierwszy z nich to
wskazanie uszkodzenia kanału optycznego w przód OCh-FDI-P (ang. Och-Forward
Defect lndication-Payload) służące do przekazywania informacji o statusie pola
użytkowego kanału optycznego. Wskazanie określa czy to pole jest w stanie
normalnym, czy uległo uszkodzeniu. Drugi to wskazanie uszkodzenia kanału
optycznego w przód OCh-FDI-O (ang. OCh Forward Defect Indication-Overhead),
które służy do przekazywania informacji o statusie nagłówka kanału optycznego
i określa czy nagłówek jest w stanie normalnym, czy też uległ uszkodzeniu.
Z kolei trzeci rodzaj nagłówka to wskazanie tzw. otwartości połączenia kanału
optycznego (ang. OCI - OCh open Connection lndication) [5.2].
Nagłówek sekcji zwielokrotnienia optycznego
Nagłówek sekcji zwielokrotnienia optycznego (ang. OMS OH - Optical Multiplex
Section OverHead) zawiera dane niezbędne do zapewnienia prawidłowego
wykorzystania i utrzymania sekcji zwielokrotnienia optycznego. Informacja zawarta
w tym nagłówku jest dodawana do tzw. grupy nośnych optycznych (ang. OCG
- Optical Carrier Group) w celu utworzenia jednostki zwielokrotnienia (multiplek-
5.3. Nagłówki
147
sacji) optycznej (ang. OMU - Optical Multiplex Unit). W przypadku sekcji OMS
wyróżniamy pięć typów nagłówków.
Pierwszy z nagłówków sekcji zwielokrotnienia optycznego to wskazanie uszkodze-
nia sekcji zwielokrotnienia optycznego w przód OMSn-FDI-P (ang. OMS-Forward
Defect lndication-Payload) służące do przekazania informacji o statusie pola
użytkowego sekcji zwielokrotnienia optycznego; wskazanie określa czy jest w stanie
normalnym, czy uległo uszkodzeniu.
Drugi to wskazanie uszkodzenia sekcji zwielokrotnienia optycznego w przód
OMS-FDI-O (ang. OMS-Forward Defect-Overhead) służące do przekazania
informacji o statusie nagłówka sekcji zwielokrotnienia optycznego i określa czy
jest w stanie normalnym, czy uległo uszkodzeniu.
Trzeci to wskazanie uszkodzenia sekcji zwielokrotnienia optycznego w tył
OMS-BDI-P (ang. OMS-Backward Defect lndication-Payload) służące do przeka-
zania informacji o statusie pola użytkowego sekcji zwielokrotnienia optycznego.
Czwarty to wskazanie uszkodzenia sekcji zwielokrotnienia optycznego w tył
OMS-BDI-O (ang. OMS-Backward Defect lndication- Overhead) służące do
przekazania informacji o statusie nagłówka sekcji zwielokrotnienia optycznego.
Ostatni to wskazanie utraty pola użytkowego sekcji zwielokrotnienia optycznego
(ang. PMI - OMS Payload Missing lndication) [5.2].
Nagłówek sekcji transmisji optycznej
Nagłówek sekcji transmisji optycznej (ang. OTS OH - Optical Transmission
Section OverHead) zawiera dane niezbędne do zapewnienia prawidłowej eks-
ploatacji i utrzymania sekcji transmisji optycznej. Informacja zawarta w tym
nagłówku jest dodawana do informacji zawartych w polu użytkowym w celu
utworzenia modułu transportu optycznego (ang. OTM - Optical Transport Module).
Wyróżniamy cztery typy nagłówków sekcji transmisji optycznej.
Nagłówek pierwszy to identyfikator trasy szlaku sekcji transmisji optycznej (ang.
TTI -Trail Trace ldentifier).
Drugi to wskazanie uszkodzenia występującego w sekcji transmisji optycznej w tył
OTS-BDI-P (ang. OTS-Backward Defect lndication-Payload), służące do przeka-
zania informacji o statusie pola użytkowego sekcji transmisji optycznej.
Trzeci nagłówek to wskazanie uszkodzenia występującego w sekcji transmisji optycznej
w tył OTS-BDI-O (ang. OTS-Backward Defect lndication-Overhead) służące do
przekazania infonnacji o statusie nagłówka sekcji nagłówka sekcji transmisji optycznej.
Czwarty nagłówek to wskazanie utraty pola użytkowego sekcji transmisji optycznej
(ang. PMI - OTS Payload Missing lndication) [5.2].
Nagłówek komunikacji zarządzającej
Nagłówek komunikacji zarządzającej (ang. COMMS OH - COMMunicationS
OverHead) służy do wymiany informacji związanych z zarządzaniem między
poszczególnymi elementami sieci [5.2].
148 Organizacja systemów WDM
5.4. Tworzenie modułu transportu optycznego
Sygnały użytkownika o dowolnym formacie np. IP (ang. Internet Protocol), ATM
(ang. Asynchronous Transfer Mode), Ethernet, SDH są wprowadzane do jednostki
OPUk, następnie jest tworzona jednostka ODUk i dalej OTUk. Jednostki te
znajdują się w pojedynczym kanale optycznym. Poniżej warstwy kanału optycznego
występują warstwy sekcji zwielokrotnienia optycznego i sekcji transmisji optycznej,
które są związane z przenoszeniem sygnału ze zwielokrotnieniem falowym.
W przypadku, gdy mamy tylko jedną nośną Gedną długości fali) warstwa OMS
i OTS zostaje zredukowana do pojedynczej warstwy tzw. sekcji fizyczno-optycznej
(ang. OPS - Optical Physical Section). W ten sposób otrzymujemy sygnał typu
OTM-O [5.4].
Na rysunku 5.10 pokazano strukturę sygnału dla optycznej sieci transportowej.
IP
I
ATM
I
Ethernet
I
STM-N
I
Jednostka danych kanału optycznego (ODU)
Jednostka transportowa kanału optycznego
(OTU)
GbE
STM-N
GbE
STM-N
Kanał optyczny (Och)
Sekcja
tizyczno-
optyczna
(OPSO)
Sekcja zwielokrotnienia optycznego (OMSn)
Pre-OTN
WDM
Sekcja transportu optycznego (OTSn)
I
I
I
OTM-Q OTM-n (n > 1) Pre-OTN l/F
Rys. 5.10. Struktura sygnału dla optycznej sieci transportowej
Sygnał użytkownika może być również przenoszony bezpośrednio przez kanał
optyczny bez tworzenia jednostki OTU. Na rysunku 5.10 pokazano również
rozwiązanie polegające na bezpośrednim umieszczeniu sygnału klienta na warstwie
fizycznej WDM; jest to tzw. Pre-OTN [5.4].
Na rysunku 5.11 pokazano sposób tworzenia jednostki transportu optycznego.
Jednostka OTU tworząca pole użytkowe kanału optycznego jest odwzorowywana
na tzw. nośną kanału optycznego (ang. OCC - Optical Channel Carrier). Nośna
kanału optycznego reprezentuje dane przesyłane na konkretnej długości fali
5.5. Odwzorowanie sygnałów zewnętrznych
149
OTMn
OCGn
OCC
Och
OCC
Och
.
.
.
OCC
Och
OSC
OOS
OTS OH
OMS OH
Och OH
COM MS OH
Rys. 5.11. Schemat tworzenia modułu transportu optycznego rzędu n z kanałów
optycznych
w systemie ze zwielokrotnieniem falowym. Po zwielokrotnieniu poszczególnych
nośnych tworzona jest tzW. grupa nośnych optycznych rzędu n, gdzie n oznacza
liczbę nośnych optycznych (ang. OCG - Optical Carrier Group). W celu utworzenia
optycznego modułu transportowego (ang. OTM - Optical Transport Module) do
grupy nośnych optycznych dodawany jest specjalny nagłówek modułu transpor-
towego OOS (ang. OTM Overhead Signal). Do przenoszenia tego nagłówka
wykorzystywany jest kanał nadzorczy (ang. OSC - Optical Supervisory Channel).
W przypadku modułów o tzw. zredukowanej funkcjonalności nagłówek OOS nie
występuje [5.4].
5.5. Odwzorowanie sygnałów zewnętrznych
Sygnał użytkowy jest przenoszony przez sieć optyczną w polu użytkowym
jednostki OPUk. Wprowadzenie sygnału użytkownika o danym formacie do pola
jednostki OPUk następuje w wyniku tzw. odwzorowania. Opracowano procedury
odwzorowania sygnałów następujących rodzajów [5.2]:
- SDH STM-16, STM-64 i STM-256,
- ATM
,
- ramkowanego strumienia danych tworzonych zgodnie z procedurą GFP (ang.
Generic Framing Procedure),
- nieokreślonego strumienia danych,
- testowego sygnału pseudoprzypadkowego.
Dla przykładu dokładniej zostanie przedstawiony sposób odwzorowania sygnału
SDH.
Odwzorowanie sygnałów SDH może odbywać się w trybie asynchronicznym
i synchronicznym.
Na rysunku 5.12 pokazano strukturę ramki jednostki OPUk z uwzględnieniem
odwzorowania sygnałów SDH.
150
Organizacja systemów WDM
15 16 17
3824
1
RES JC
RES JC Pole użytkowe OPUk
RES JC 4x3808 bajtów
PSI NJO PJO
2
3
4
OPUk OH
o PT
l
PSI
RES
255
l 2 345 6 78
Je I rezerwa EJ
Rys. 5.12. Struktura ramki
jednostki OPUk
Na rysunku 5.12 możemy wyróżnić identyfikator struktury pola użytkowego (ang.
PSI - Payload Structure ldentifier) zawierający informacje na temat typu pola
użytkowego (ang. PT - Payload Type) i 255 bajtów rezerwowych (RES).
W nagłówku OPUk wyróżniamy jeszcze trzy bajty kontroli dopełnienia (ang. JC
- lustification Control), bajt do realizacji dopełnienia ujemnego (ang. NJO
- Negative lustification Opportunity) oraz trzy bajty rezerwy. Bajt JC składa się
z dwóch bitów służących do kontroli dopełnienia i sześciu stanowiących rezerwę.
Pole użytkowe OPUk przeznaczone do odwzorowania składa się z 4 x 3808 bajtów
w tym z bajtu wykorzystywanego podczas realizacji dopełnienia dodatniego (ang.
PJO - Positive lustification Opportunity). W tabelach 5.6 i 5.7 pokazano zawartość
pól JC, NJO i PJO przy odwzorowaniu asynchronicznym i synchronicznym.
Tabela 5.6. Pola JC, NJO i PJO przy odwzorowaniu asynchronicznym
JC NJO PJO
bity 7 8
O O Bajt dopełnienia Bajt danych
O 1 Bajt danych Bajt danych
1 O Nie tworzone
1 1 Bajt dopełnienia Bajt dopełnienia
Tabela 5.7. Pola JC, NJO i PJO przy odwzorowaniu synchronicznym bitowym
JC NJO PJO
bity 7 8
O O Bajt dopełnienia Bajt danych
O 1
1 O Nie tworzone
1 1
5.6. Interfejs IrDI i laDI
151
Podczas operacji odwrotnej pola JC, NJO i PJO są interpretowane w następujący
sposób (tab. 5.8).
Tabela 5.8. Interpretowanie pól JC, NJO i PJO
JC NJO PJO
bity 7 8
O O Bajt dopełnienia Bajt danych
O 1 Bajt danych Bajt danych
1 O Bajt dopełnienia Bajt danych
1 1 Bajt dopełnienia Bajt dopełnienia
Tryb asynchroniczny jest stosowany, gdy sieć optyczna nie jest zsynchronizowana
z siecią SDH, z której mamy odwzorowywane sygnały. Sygnał OPUkjest wówczas
tworzony na podstawie zegara lokalnego, który jest niezależny względem sygnału
odwzorowywanego.
W przypadku synchronizacji bitowej zegar sygnału OPUk jest odtwarzany
z odwzorowywanego sygnału SDH.
5.6. Interfejs IrDI i laDI
W optycznej sieci transportowej możemy wyróżnić fizyczny interfejs wewnątrz
danej domeny (ang. laDI - Intra Domain Interface) i fizyczny interfejs między
różnymi domenami (ang. IrDI - Inter Domain Interface). Interfejs laDI najczęściej
jest związany ze współpracą występującą między sprzętem pochodzącym od
różnych dostawców; sprzętem który znajduje się w obrębie danej podsieci. Z kolei,
interfejs IrDI dotyczy najczęściej styku między sieciami dwóch operatorów,
podsieciami dwóch dostawców usług wchodzących w obręb tej samej domeny oraz
wewnątrz jednej podsieci jednego dostawcy [5.5]. Zakłada się, że na każdym
końcu interfejsu IrDI przeprowadza się regenerację typu 3R (rys. 5.13).
Operator 2
OTM
---------
- - - - - - - - - -lrOI I
I ,--,.. I I ,--,..
I I I
I I
A : A
I
I
D D: DD
D różni dostawcy sprzętu A - OTM laOI i OTM IrOI
Rys. 5.13. Lokalizacja styków IrOI i laOI
152
Organizacja systemów WDM
Wraz z rozwojem sieci optycznych WDM nastąpiła zmiana w podejściu do spraw
związanych ze wzajemnym połączeniem i współpracą między różnymi domenami
administracyjnymi. Zarówno dla architektury typu punkt-punkt jak i bardziej
rozbudowanych konfiguracji systemy optyczne oparte na technice WDM zaczynają
być traktowane jako swoiste wyspy transportu optycznego, które występują
w obrębie danych domen administracyjnych. Realizacja połączenia między różnymi
domenami administracyjnymi polega na wykorzystaniu interfejsu IrDI występują-
cego między wyspami transportu optycznego. Kolejne rozwiązanie opiera się na
wzajemnym połączeniu podsieci typu OTN należących do różnych domen
administracyjnych przez interfejs IrDI z wykorzystaniem współpracy między
kanałami optycznymi. W tych rozwiązaniach interfejs może być takjednokanałowy,
jak i wielokanałowy. Połączenia z innymi, istniejącymi sieciami transportowymi
np. SDH mogą być wykonywane za pośrednictwem interfejsu IrDI. Dopuszczalne
jest łączenie domeny administracyjnej za pośrednictwem IrDI, z których jedna
może nie zawierać optycznej sieci transportowej [5.5].
5.7. Zarządzanie
Biorąc pod uwagę architekturę sieci zarządzania (ang. TMN - Telecommunications
Management Network) funkcje związane z zarządzaniem siecią optyczną można
podzielić na pięć obszarów [5.6]:
- zarządzanie konfiguracją (ang. configuration management),
- zarządzanie uszkodzeniami (ang. fauls management),
- zarządzanie wydajnością (ang. performance management),
- zarządzanie bezpieczeństwem (ang. security management),
- zarządzanie rozliczeniami (ang. accounting management).
Zarządzanie konfiguracją
Jej zadaniem jest kontrolowanie, identyfikowanie i zbieranie danych z elementów sieci
optycznej (ang. ONE - Optical Network Element), danych dotyczących ich bieżącej
konfiguracji. Element sieci optycznej powinien automatycznie wykrywać zmiany
w swej bieżącej konfiguracji. Zmiany te powinny być automatycznie raportowane do
systemu zarządzania. Dane utrzymaniowe elementu sieci optycznej powinny określać,
które kanały optyczne przenoszą ruch roboczy, a które ruch zabezpieczający
(protekcyjny). Informacje te powinny być przekazywane do systemu zarządzania.
Poza tym, jej zadaniem jest również dostarczanie danych do elementów sieci
optycznej oraz zagwarantowanie połączeń między nimi. Zarządzanie konfiguracją
jest związane z planowaniem i instalowaniem elementów sieci oraz ich wzajemnych
połączeń w obrębie optycznej sieci transportowej.
Zarządzanie uszkodzeniami
Umożliwia detekcję, izolację i korektę nieprawidłowych działań w obrębie optycznej
sieci transportowej. Zarządzanie uszkodzeniami obejmuje wykrywanie i zgłaszanie
5.7. Zarządzanie
153
zdarzeń określanych jako alarmowe, występujących w elemencie sieci i odbieranym
sygnale. Wyróżnia się następujące klasy zdarzeń alarmowych:
- awarie transmisyjne,
- uszkodzenia sprzętu,
- uszkodzenia oprogramowania,
- zdarzenia dotyczące otoczenia (np. awarie zasilania).
System zarządzania przyporządkowuje poszczególnym typom i lokalizacjom
uszkodzeń alarmy o odpowiednich poziomach istotności. Dozwolone poziomy
istotności alarmu powinny obejmować: alarm krytyczny, alarm pilny oraz alarm
nieistotny. System zarządzania powinien umożliwiać definiowanie, które zdarzenia
i jakie warunki ich zajścia powinny być zgłaszane automatycznie, a które powinny
być zgłaszane na żądanie operatora. W szczególności powinny być dostępne
następujące funkcje związane z zarządzaniem uszkodzeniami:
- automatyczne raportowanie alarmów,
- żądanie raportowania wszystkich alarmów,
- aktywowanie/dezaktywowanie automatycznej sygnalizacji alarmowej dla po-
szczególnych elementów sieci, portów i bloków funkcjonalnych,
- raportowanie statusu o aktywowaniu czy też dezaktywowaniu raportowania alarmów,
- raportowanie zdarzeń związanych z zabezpieczeniami.
Zarządzanie wydajnością
Jej zadaniem jest przeprowadzenie oceny i raportowanie zachowania wyposażenia
telekomunikacyjnego oraz wydajności optycznej sieci transportowej i elementów
sieci optycznej dla wspierania realizowanych w sieci usług. Parametry jakościowe
związane z wydajnością systemu powinny być gromadzone w 15-minutowych
i 24-godzinnych przedziałach czasu. Kluczowym elementem związanym z za-
rządzaniem wydajnością jest określenie monitorowanych parametrów jakościowych
oraz określenie ich wartości progowych. Ich przekroczenie powoduje wysłanie
odpowiedniej wiadomości do właściwego systemu zarządzania. Te wiadomości
powinny precyzyjnie określać parametr, który osiągnął lub przekroczył wartość
progową oraz powinien dostarczyć informację na temat przyjętych wartości
progowych. Wartości progowe powinny być ustawiane dla:
- parametrów przychodzącego sygnału jednokanałowego i wielokanałowego,
- parametrów wychodzącego sygnału jednokanałowego i wielokanałowego,
- stosunku sygnału do szumu,
- parametrów sekcji transmisji optycznej,
- parametrów sekcji multipleksacji optycznej,
- parametrów kanału optycznego.
Zarządzanie bezpieczeństwem
Zarządzanie bezpieczeństwem ma za zadanie wykrywanie i zapobieganie nie-
prawidłowemu wykorzystaniu zasobów optycznej sieci transportowej OTN i reali-
zowanych usług. Sposobem na wykonanie tego zadania jest wprowadzenie
154
Organizacja systemów WDM
odpowiednich mechanizmów zabezpieczających pozwalających na jednoznaczną
identyfikację użytkownika ubiegającego się o dostęp do systemu zarządzania
(a przez niego do danych dotyczących mechanizmów bezpieczeństwa elementu sieci
optycznej). Innym jego zadaniem jest detekcja oraz zapamiętywanie i przechowywa-
nie danych dotyczących nieautoryzowanych prób uzyskania dostępu, a także prób
zmian parametrów bezpieczeństwa oraz modyfikacji i niszczenia danych.
Zarządzanie rozliczeniami
Związana jest ze zbieraniem danych rozliczeniowych i ustawianiem parametrów
bilingowych dla określonej usługi i dla okresowych opłat za dostęp do OTN.
W modelu zarządzania siecią WDM wyróżniamy kilka warstw. Niższe warstwy są
związane z fizycznymi zasobami sieci; z kolei warstwy wyższe dotyczą określonych
procesów czy też usług. Wyróżniamy następujące warstwy związane z zasobami
fizycznymi [5.7, 5.8]:
- warstwę elementów sieci (ang. NEL - Network Elements Layer),
- warstwę zarządzania elelllentami (ang. EML - Elements Management Layer),
warstwę zarządzania siecią (ang. NML - Network Management Layer).
Wyższe warstwy to:
- warstwa zarządzania usługami (ang. SML - Services Management Layer),
- warstwa zarządzania biznesem (ang BML - Business Management Layer).
Łącze między
podsieciami
,
.
.
. ,
,
,
.
.
.
.
.
.
.
.
,
.
.
.
,
,
.
.
. '
. .
. ,
"
"-
'.
. .
, .
. .
. .
, ..
. .
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
Podsieć
Rys. 5.14. Przykładowa struktura sieci telekomunikacyjnej WOM
5.7. Zarządzanie
155
Na rysunku 5.14 pokazano przykładową strukturę sieci telekomunikacyjnej WDM, a na
rys. 5.15 pokazano architekturę systemu zarządzania siecią telekomunikacyjną WDM.
Zarządzanie
konfiguracją
Zarządzanie
połączeniem
Zarządzanie Zarządzanie
uszkodzeniami wydajnością
Warstwa zarządzania siecią
------------------- ------1
Zarządzanie Zarządzanie
konfiguracją połączeniem
Zarządzanie Zarządzanie
konfiguracją połączeniem
. . .
Warstwa zarządzania elementem
Zarządzanie Zarządzanie
uszkodzeniami wydajnością
Zarządzanie Zarządzanie
uszkodzeniami wydajnością
----------- --------------
I Agent I I
Element
sieci
. . .
I Agent I I
Element
sieci
Warstwa elementów sieci
Rys. 5.15. Przykładowa architektura zarządzania siecią
Warstwa zarządzania elementami sieci służy do zarządzania podsieciami o różnej
konfiguracji połączeniowej np. pierścieniowej czy też kratowej. Warstwa za-
rządzania siecią służy do zarządzania całą siecią i jest warstwą nadrzędną
względem warstwy zarządzania elementami [5.6].
Każda z warstw jest charakteryzowana przez określony zakres przypisanych jej
działań. Dalej przedstawiono ich bardzo skrótowy opis [5.7, 5.8].
1. Warstwa elementów sieci jest charakteryzowana przez:
rozpoznawanie ściśle określonych problemów np. alarmów,
- implementację rozkazów związanych z zarządzaniem,
- niezależne czynności np. diagnostykę, przełączanie zabezpieczeniowe.
2. Warstwa zarządzania elementami jest charakteryzowana przez:
węższy zakres działań kontrolnych niż mamy do czynienia w przypadku
warstwy zarządzania siecią,
kontrolę i koordynację pewnej podgrupy elementów sieci optycznej np. zbioru
elementów tego samego typu czy też wchodzących w skład danej podsieci,
zapewnienie dostępu do elementów sieci dla warstwy zarządzania siecią i wyższych,
- utrzymanie informacji statystycznych i historii pracy poszczególnych elementów.
3. Warstwa zarządzania siecią jest charakteryzowana przez:
pełny wgląd do całej optycznej sieci transportowej wraz ze szczegółami
dotyczącymi węzłów i łączy,
kontrolę i koordynację sieci z punktu widzenia wszystkich elementów sieci
optycznej,
156
Organizacja systemów WDM
przełączenie na rezerwę w celu zabezpieczenia pracy, a także możliwość
modyfikacji możliwości sieciowych w celu wspomagania usług przeznaczonych
dla danego odbiorcy,
utrzymanie określonego poziomu wydajności prac sieciowych,
utrzymanie informacji statystycznych i historii pracy wybranych elementów
sieci czy też konkretnych połączeń.
4. Warstwa zarządzania usługami jest charakteryzowana przez:
kontakt z odbiorcami i dostawcami usług,
rozpoznanie dostępu odbiorcy usług do sieci,
- usługę raportowania używaną do celów rozliczeniowych,
utrzymanie i raportowanie danych dotyczących jakości świadczonej usługi.
5. Warstwa zarządzania biznesem jest charakteryzowana przez:
- wytyczenie celu biznesowego, określenie funduszy i sporządzenie budżetu,
- zdefiniowanie planowanego produktu,
uzgodnienia kompetencyjne.
System zarządzania elementami
W przypadku sieci WDM architektura systemu zarządzania elementami obejmuje
zarządzanie typowymi dla tego systemu elementami sieci np. wzmacniaczami
optycznymi, krotnicami falowymi, optycznymi krotnicami transferowymi i przełącz-
nicami optycznymi. System ten zarządza podsieciami zawierającymi jeden lub
kilka elementów optycznych. Zarządzaną podsieć można podzielić na kilka
mniejszych podsieci [5.71. Na rysunku 5.16 okazano przykład architektury systemu
zarządzania elementami sieci.
NMSB
NMSA
NMSC
EMS1
EMS2
r - - - - - -.
. .
. .
. .
-------
Podsieć
ONE
ONE
ONE
Zarządzanie
ONE
ONE
ONE
"- - - - - - - - - - - - - - - -.
- - - - - - - - - - - - - - - _"
1______----------------
1______----------------------------------------
Rys. 5.16. Przykład architektury systemu zarządzania elementami sieci, ONE (ang.
Optical Network Element) - element sieci optycznej, EMS (ang. Elements Management
Sysem) - system zarządzania elementami NMSI (ang. Network Management System)
- system zarządzania siecią
5.7. Zarządzanie
157
Poszczególne systemy zarządzania elementami nie komunikują się ze sobą.
Koordynacja funkcji systemów zarządzania elementami, tj. ustawianie połączeń
czy też korelacja alarmów między poszczególnymi systemami jest realizowana
poprzez system zarządzania siecią. W związku z tym system zarządzania
elementami musi mieć możliwość współpracy z wieloma systemami zarządzania
siecią. Na rysunku 5.16 pokazano przykład, w którym system zarządzania
elementami EMS l może być zarządzany tak przez system zarządzania siecią
NMS A, który jest odpowiedzialny za zarządzanie konfiguracją połączeń,
uszkodzeniami i bezpieczeństwem jak i przez system NMS B, który z kolei jest tu
odpowiedzialny za zarządzanie wydajnością i naliczeniami [5.7].
System zarządzania siecią
W przypadku systemu WDM architektura systemu zarządzania siecią obejmuje
zarządzanie warstwą zarządzania elementami. Ten system zarządza całością sieci
obejmującą jedną pod sieć lub wiele połączonych ze sobą podsieci. System
zarządzania siecią wspomaga funkcje warstwy zarządzania elementami, które są
związane z nadzorowaniem prac elementów sieci [5.8]. Na rysunku 5.17 pokazano
przykład architektury systemu zarządzania siecią.
I - - - - - -.
. I
. I
. I
Zarządzanie
Podsieć
NMSC
,----,
I i Sieć
"-'---...
- - - - - - - - - - - - - - - .'
.
.
.
.
'. - - - - - - - - - - - - - - .'
.---------------------
.----------------------------------------------
_________________________________________________________________________________________J
Rys. 5.17. Przykład architektury systemu zarządzania siecią, SMS (ang. Services
Management Sysem) - system zarządzania usługami
Przedstawiony na rys. 5.17 system NMS B może być odpowiedzialny za
konfigurację połączeń, uszkodzenia i bezpieczeństwo, z kolei NMS C może być
odpowiedzialny za wydajność i naliczanie. Kiedy kwestie funkcjonalne związane
z procesem zarządzania są podzielone między dwa albo więcej systemów
zarządzania siecią niezbędne jest połączenie między nimi i możliwość korzystania
158
Organizacja systemów WDM
ze współdzielonych informacji. Dla przykładu z rys. 5.17 system NMS C może
wymagać podstawowych informacji związanych z konfigurowaniem połączeń od
systemu NMS B w celu wykonania zadań związanych z zarządzaniem wydajnością
i naliczeniami.
W ogólności możemy mieć do czynienia z kilkoma poziomami, warstwami
systemu zarządzania siecią; chociaż zwykle występuje jedna lub dwie. Mogą być
następujące przyczyny, dla których system zarządzania siecią dzieli się na poziomy,
warstwy. W przypadku podziału możliwości funkcjonalnych warstwy zarządzania
siecią między kilka systemów zarządzania siecią, druga warstwa może być użyta
do zapewnienia zintegrowanego zarządzania z punktu widzenia systemu zarządzania
usługami. Przy takim samym podziale funkcjonalnym jak na rys. 5.17 system
NMS A może być użyty do zapewnienia zintegrowanego zarządzenia z punktu
widzenia systemu zarządzania usługami SMS X, y i Z dla systemów NMS B
i NMS C. W pewnych przypadkach dostawca usług może chcieć podzielić
obsługiwany obszar na kilka sieci. Najczęściej powodem podziału jest to, że
obsługiwany obszar jest zbyt rozległy do zarządzania go za pomocą jednego
systemu. Przyczyną takiego rozwiązania mogą być pewne ograniczenia narzucone
przez regulatora rynku telekomunikacyjnego, czy też może to wynikać z przyczyn
geograficznych [5.8].
Literatura
[5.1] P. Chołda i inni: Opakowanie cyJrowe jako struktura realizująca Junkcje zarządzania w opty c Zl1ej
sieci OTN. Przegląd Telekomunikacyjny Wiadomości Telekomunikacyjne, nr ], str. 23-3], 2002
[5.2] Zalecenie ITU-T G. 709/Y.133]: l11terJaces Jor the Optical Tran port Network (OTN), 2003
[5.3] Zalecenie ITU- T G. 872: Architecture oJ optical tral1sport networks, 200 I
[5.4] S. Kula: Systemy teletral1smisyjne. WKŁ, Warszawa 2005
[5.5] Materiały firmy Acterna: G. 709. The Optica/ Tran\port Network (OTN), 2002
[5.6] J. Y. Wei i inni: Connection management Jor multiwavelength optical networking. IEEE Journal
on Selected Areas in Communications, vol. ] 6, nr 7, str. ] 097-11 08, 1998
[5.7] Dokument Telcordii GR-2998-CORE: Gel1eric requiremel1ts Jor Wave Division Multiplexing
(WDM) Elel1lent Managelnent System (EMSs), 2000
[5.81 Dokument Telcordii GR-2999-CORE: Generic requirements Jor Wave Division Multiplexing
(WDM) Network Management System (NMSs), ]999
Rozdział
Technika WDM w systemach
telekomunikacyjnych
Dzięki swej prostocie i niezawodności systemy transmisji optycznej ze zwielokrot-
nieniem falowym znalazły duże uznanie wśród operatorów telekomunikacyjnych.
Realizacje systemów transmisji WDM można klasyfikować na kilka sposobów;
jednym z nich jest podział na systemy selektywne i szerokopasmowe. W przypadku
systemów selektywnych danemu nadajnikowi przyporządkowany jest ściśle
określony odbiornik (rys. 6.]).
N1
Światłowód
01
N2
OMUX
OOMUX
02
Nn
On
Rys. 6.1. Selektywny system WDM; OMUX - multiplekser, ODMUX - demultiplekser,
N1, N2, Nn - nadajniki, 01, 02, On - odbiorniki
W przypadku systemów szerokopasmowych sygnał ze wszystkich nadajników
dochodzi do każdego toru odbiorczego; a wybór konkretnej długości fali jest
przeprowadzany za pomocą filtru optycznego (rys. 6.2).
N1 Światłowód 01
N2 OMUX Ssp 02
Nn On
Rys. 6.2. Szerokopasmowy system WDM; Ssp - sprzęgacz szerokopasmowy, F - filtr
optyczny
Jeśli chodzi o sposób przesyłania sygnału optycznego w pojedynczym włóknie
światłowodowym, to systemy transmisji WDM są najczęściej realizowane jako
160
Technika WDM w systemach telekomunikacyjnych
systemy jednokierunkowe. Pojawiają się również propozycje realizacji w jednym
włóknie transmisji odbywającej się w dwóch kierunkach. Proponowane są
rozwiązania, w których transmisja odbywa się na tych samych długościach fali
Gest to wtedy połączenie dupleksowe), jak i na różnych długościach fali (połączenie
dipleksowe). Zaletą takich rozwiązań jest zwiększenie przepustowości już istniejącej
infrastruktury. Wadą jest to, że kiedy pojawia się konieczność wzmocnienia
sygnału musimy stosować osobny stopień wzmacniający dla każdego kierunku
transmisji.
Na rysunku 6.3 pokazano przykład transmisji dwukierunkowej z wykorzystaniem
podziału na podpasma. W tym rozwiązaniu wykorzystywane pasmo optyczne jest
dzielone na dwa podpasma: na podpasmo czerwone i niebieskie, czyli podpasma
obejmujące swym zakresem dłuższe i krótsze względem siebie długości fali.
Z tym, że jedno jest przeznaczone dla transmisji w jedną stronę, a drugie w drugą.
Wzmacniacz
optyczny
Pod pasmo Ak+1... A n
: --. iti
rr...1
Pod pasmo
czerwone
Ak+1... A n
---------------
iti
Rozdzielacz Rozdzielacz
itr
A1 .. .Ak
---------------
Pod pasmo
niebieskie
A1... A k
---------------
Pod pasmo
niebieskie
Wzmacniacz
optyczny
Rys. 6.3. Transmisja dwukierunkowa z podziałem na podpasma
Wzmacniacz
optyczny
A1... A n
A1... A n
Nieparzyste
---------------
itll
Rozdzielacz Rozdzielacz
_ _ _t ltll
tlt
A2' ..Ak
---------------
Parzyste
tlt
---------------
Parzyste
A2... A k
Wzmacniacz
optyczny
Rys. 6.4. Transmisja dwukierunkowa z przeplotem kanałów optycznych
6.1. Technika WDM w sieciach dostępowych
161
Na rysunku 6.4 przedstawiono transmisję dwukierunową z przeplotem kanałów
optycznych. W tym przypadku, następuje podział wykorzystywanego pasma np. na
kanały parzyste i nieparzyste. W ten sposób wydzielone grupy kanałów przenoszą
ruch w różnych kierunkach.
Można się także spotkać z transmisją dwukierunkową, w której do trasmisji danych
w obu kierunkach wykorzystuje się te same długości fali (rys. 6.5).
Wzmacniacz
optyczny
A1" .A n
m; m. iiii
iiii
Cyrkulator
Cyrkulator
A1" .An
m m. iiii
iiii
A1 . ..A n
---------------
Pełne
pasmo
A1" .A n
---------------
Pełne
pasmo
Wzmacniacz
optyczny
Rys. 6.5. Transmisja dwukierunkowa z wykorzystaniem tych samych długości fali
Systemy typu WDM można spotkać we wszystkich obszarach aktywności
telekomunikacyjnej; występują one w sieciach dostępowych, miejskich oraz
w sieciach dalekiego zasięgu.
6.1. Technika WDM w sieciach dostępowych
Zainteresowanie sieciami dostępowymi wykorzystującymi technikę WDM pojawiło
się w połowie lat 90. To zainteresowanie wynikało z kilku przyczyn. Po pierwsze,
powszechnie stosowane sieci typu PON (ang. Passive Optical Network) mające
architekturę typu punkt-wiele punktów wykorzystywane są przede wszystkim do
transmisji typu rozsiewczego. Co oznacza, że cały ruch trafia do poszczególnych
jednostek sieci optycznej ONU, gdzie dopiero ma miejsce selekcja informacji.
Dużym problemem staje się więc poufność przekazywanych danych. Pewnym
rozwiązaniem tego problemu może być właśnie zastosowanie techniki WDM.
Przez przypisanie do danego użytkownika (czyli danej jednostki ONU) określonej
długości fali (lub pewnego ich zakresu) możemy stworzyć dla każdego z nich coś
na kształt prostej, prywatnej sieci wirtualnej (ang. VPN - Virtual Private Network).
Po drugie, stosowanie techniki WDM (szczególnie w odmianie CWDM) pozwala
na osiągnięcie znacznej izolacji między poszczególnymi kanałami. Trzecim
powodem zainteresowania transmisją wielofalową jest potrzeba rozwiązania
problemu związanego ze świadczeniem przez operatora usług wymagających
162
Technika WDM w systemach telekomunikacyjnych
dużych przepustowości np. można tu wymienić transmisję sygnału telewizyjnego
(dla którego w zależności od stosowanego formatu wymagana jest przepływność
od ok. 50 do 1400 Mbit/s). Zalety techniki WDM uwidoczniły się chociażby przy
zastępowaniu systemów typu APON (ang. ATM Passive Optical Network), które
były przeznaczone do transmisji sygnału mowy i danych, systemami typu BPON
(ang. Broadband Passive Optical Network), w którym dodatkowo, na osobnej
długości fali wprowadzono transmisję sygnału telewizyjnego.
Zastosowanie techniki WDM w bardzo prosty sposób rozwiązuje problem
równoczesnej transmisji głosu, danych i sygnału telewizyjnego. Jednakże tempo
wdrożeń rozwiązań optycznych w sieciach dostępowych nie jest najwyższe.
Przyczyn tego stanu jest wiele, a z najpoważniejszych można wymienić: niedoj-
rzałość technologiczną niektórych urządzeń optycznych, w dalszym ciągu nieco
wyższa cena instalacji światłowodowej w porównaniu z instalacjami miedzianymi,
czy też problemy z zapewnieniem niezawodnych mechanizmów związanych z ich
zarządzaniem. Ważną sprawą jest także kwestia zapewnienia zasilania urządzeń
u abonenta. W przypadku sieci PON nie jest to tak proste jak dla sieci miedzianej.
Dla sieci optycznych jest to robione za pomocą osobnej sieci lub przez umieszczenie
źródła zasilania u abonenta.
W klasycznym rozwiązaniu sieci PON mamy do czynienia z rozdzielaniem
sygnału transmitowanego na jednej długości fali do wielu użytkowników za
pomocą rozdzielacza optycznego. Podstawowym ograniczeniem takiego rozwiązania
jest problem związany ze stratami mocy optycznej powstałymi w wyniku
rozdzielenia sygnału. Powoduje to ograniczenia związane z odległością między
jednostką zakończenia łącza optycznego OL T a jednostką ONU oraz z samą liczbą
jednostek ONU, czyli inaczej mówiąc stopniem podziału sygnału optycznego.
Obecnie oferowane są rozwiązania pozwalające na realizację sieci składających się
z 32 jednostek ONU przy odległości miedzy OL T i ONU 20 km, czy też z 64
jednostek ONU przy długości sieci wynoszącej 10 km [6.1]. Na rysunku 6.6
pokazano klasyczną w swej budowie architekturę systemu WDM-PON.
OL T
A1 ONU
Tx
Nadajnik ____nn_.
WDM --------- Rx
A1, A2,...AN AN+1
u__u_u.
ID .
..... .
::::J
--------- a:: .
AN+1, AN+2,...A2N AN ONU
Tx
Odbiornik nn_____.
WDM -nnn-- Rx
A2N
Rys. 6.6. Architektura WDM-PON
...
6.1. Technika WDM w sieciach dostępowych
163
W rozwiązaniu z rys. 6.6 do każdej jednostki OND przydzielono dwie długości
fali. Jedną dla kierunku transmisji od OL T do danego OND (kierunek ten określa
się jako downstream). Drugą dla kierunku transmisji od danego OND do OLT
(kierunek ten określa się jako upstream). W kierunku downstream kanały optyczne
są kierowane od OL T do odpowiednich OND za pomocą rutera optycznego
pełniącego funkcję krotnicy falowej.
Z kolei w kierunku przeciwnym odbierany po stronie OL T sygnał jest poddawany
demultipleksacji w odbiorniku WDM. Każdy OND jest wyposażony w nadajnik
i odbiornik o parametrach dobranych pod kątem nadawania i odbierania ściśle
określonej długości fali.
W systemach WDM-PON można zastosować technikę rzadkiego (CWDM) jak
i gęstego zwielokrotnienia (DWDM). Zastosowanie techniki CWDM powoduje, że
odległości między kanałami są większe w związku z czym można zastosować
tańsze krotnice falowe oraz źródła światła. Nie ma w tym przypadku potrzeby
stosowania tak bardzo dokładnej kontroli emitowanej długości fali jak to ma
miejsce w systemach z gęstym zwielokrotnieniem co znacznie obniża koszty
całego systemu. Wadą takiego rozwiązania jest pojemność systemu. Korzystając
z odległości między kanałami na poziomie np. 20 nm możemy umieścić w paśmie
od 1271 nm do 161] nm jedynie 18 kanałów. Oczywiście taka sytuacja ma miejsce
w przypadku naj nowszych typów włókien bez., charakterystycznego dla światło-
wodów krzemionkowych, silnego wzrostu tłumienia w okolicach długości fali
1380 nm. W przypadku tradycyjnych włókien w rejonie o zwiększonym tłumieniu
sygnału nie należy umieszczać kanałów optycznych.
W tabeli 6.1 przedstawiono zaproponowany w zaleceniu ITD-T G.983.3 [6.3]
podział pasma optycznego. Przedstawiony podział dotyczy systemów typu BPON.
Technika DWDM pozwala na uzyskanie bardzo dużych pojemności systemu.
Korzystając jedynie z pasma C (1530 nm - 1565 nm) i mając odległość między
kanałami na poziomie 50 GHz (0,4 nm) możemy otrzymać ponad 80 kanałów.
Wadą jednak techniki gęstego zwielokrotnienia jest wyższy, niż to ma miejsce
Tabela 6.1. Podział długości fali w WDM-BPON [6.3]
Przedział długości fali Zastosowania
Pasmo 1300 nm: od 1260 nm do 1360 nm Kanał upstream dla usługi A TM-PON
Pasmo pośrednie: od 1360 nm do 1480 nm Dla przyszłych zastosowań
Pasmo podstawowe: od 1480 nm do 1500 nm Kanał downstream dla usługi
A TM-PON
Pasmo zwiększone: od 1539 nm do 1565 nm Dla dodatkowej usługi cyfrowej
(opcja 1)
Pasmo zwiększone: od 1550 nm - d01560 nm Do przesyłania obrazu
(opcja 2)
Pasmo L: powyżej 1560 (lub 1565) nm - jeszcze Dla przyszłych zastosowań
nieokreślone
164
Technika WDM w systemach telekomunikacyjnych
w przypadku CWDM, koszt elementów. Wynika to z faktu, że w tego typie
zwielokrotnieniu stawia się bardzo wysokie wymagania co do stabilności właś-
ciwości filtracyjnych krotnic falowych oraz stabilności generowanej przez lasery
długości fali. Patrząc już szczegółowiej na koszty kluczowych elementów techniki
WDM, tj. źródeł światła i krotnic falowych, okazuje się, że koszt lasera
przeznaczonego dla systemu DWDM jest ok. 5 krotnie większy niż koszt lasera
przeznaczonego dla systemu CWDM. Z kolei, krotnice falowe dla DWDM są
2 krotnie droższe niż te, które stosuje się dla CWDM [6.2].
Na rysunku 6.7 pokazano porównanie wydatków jakie należy ponieść przy
budowie systemu WDM-PON przy stosowaniu techniki CWDM i DWDM [6.4].
1,0
o
0,9
"O
Q)
.--'
co 0,8
c
Q)
07
.--' '
co
"O
co
Q. 0,6
>-
N
Q. 05
>- '
.....
N
en
O 0,4
Q)
c
co 0,3
3:
O
N
co 0,2
E
O 0,1
c
N
. . -
..". .
Lasery WOM
Elementy
bierne WOM
_. .
.. .
. .
. -
. .
. . . -
. -.
.. . ...:
.. .-.
. .
..... "-::.:.-.. ::......
Instalacja
światłowodu
o
Lasery i elementy
bierne PON
eWOM, 10 km DWOM, 10 km eWOM, 20 km DWOM, 20 km
Rys. 6.7. Koszty sieci PON realizowanej w technice eWOM i DWOM
Do najpopularniejszych rozwiązań systemów WDM-PON należy zaliczyć na-
stępujące architektury: CPON, LARNET, RITENET, Multi-Stage, Super-PON
i Success-DW A [6.1].
Architektura CPON (ang. Composite PON)
Jest to jedna ze starszych architektur systemu WDM-PON (rys. 6.8). Sygnał
pochodzący z OLT (transmitowany w kierunku downstream) jest typowym sygnałem
WDM z rejonu trzeciego okna optycznego, który w ruterze ulega rozdziałowi
i skierowaniu do poszczególnych jednostek OND. W kierunku przeciwnym (tj.
w kierunku upstream) z poszczególnych jednostek OND sygnał jest nadawany na
tej samej długości fali z zakresu drugiego okna optycznego. W tym kierunku
transmisji jest wykorzystywana technika zwielokrotnienia w dziedzinie czasu.
W pierwszych realizacjach architektury CPON transmisję sygnałów w kierunku
downstream i upstream przeprowadzano na dwóch osobnych włóknach. Obecnie
6.1. Technika WOM w sieciach dostęp o wy ch
165
OL T
Odbiornik typu
"burst-mode"
---X----
Rys. 6.8. Architektura typu CPON
A1
---------
ONU
Tx
Rx
A1, A2,...AN
Nadajnik ---------
WDM
A1, A2,...AN
---------
---------
A
---------
A
Le
(J.)
.....
:::J
a:
.
.
.
AN
---------
ONU
Tx
Rx
---------
A
korzysta się z zintegrowanego urządzenia, które pełni rolę demultipleksera dla
transmisji downstream i sprzęgacza mocy dla kierunku upstream. Zaletą tego
rozwiązania jest to, że transmisja w obu kierunkach jest przeprowadzana w tym
samym włóknie. Po stronie OL T do odbioru sygnałów od poszczególnych ONU
stosuje się odbiorniki typu "burst-mode" pracujące na jednej długości fali [6.1].
W tabeli 6.2 pokazano krótką ocenę wybranych parametrów tego typu architektury.
Tabela 6.2. Ocena architektury CPON
Koszt Maksymal-
Podział na odleg-
Główna Podział Skalo- terminala
CPON długości łość mię-
zaleta włókna walność użytkowni-
fali dzy OL T
ka (ONU)
aONU
,
Opis Wykorzy- 1) Podział Down: Słaba Wysoki Srednia
stanie zalet up/down 1 A/ON U
elementu 2) Osobne Up:
typu AWG włókna Podział
czasowy
Architektura LARNET (ang. Local Access Router Network)
Na rysunku 6.9 pokazano przykład architektury LARNET. W tym rozwiązaniu po
stronie jednostki ONU znajduje się źródło szerokopasmowe; może to być np. dioda
elektroluminescencyj na. Każda z jednostek ONU nadaje sygnał w pełnym zakresie
widma diody. W ruterze następuje wycinanie widma tak, że każdej jednostce ONU
odpowiada inny zakres widma optycznego. W tej architekturze możemy również
posłużyć się techniką podobną do tej jaka jest stosowana w architekturze CPON.
Kanał w kierunku upstream jest wówczas dzielony pomiędzy jednostki ONU przez
zastosowanie techniki zwielokrotnienia w dziedzinie czasu. Z kolei sygnał
166
Technika WDM w systemach telekomunikacyjnych
OLT
A1, A2,...AN A1 ONU
Tx
Nadajnik ............. ............
WDM 4II1II.......... Rx
A1, A2,...A N A
...... ..... Lo
(J.) .
--
::::J .
o .
a:
A' 1, A' 2,...,A' N ONU
AN
Przestrajalny .......... Tx
odbiornik WDM ............. ............... Rx
A'1, A'2,...,A'N A
Rys. 6.9. Architektura typu LARN ET
w kierunku downstream jest typowym sygnałem WDM nadawanym w drugim lub
trzecim oknie optycznym. W tabeli 6.3 przedstawiono krótki opis architektury
LARNET [6.1J.
Tabela 6.3. Ocena architektury LARNET
Koszt MaksymaI-
Podział na odleg-
Główna Podział Skalowal- terminala
LARNET długości łość mię-
zaleta włókna ność użytkowni-
fali dzy OL T
ka (ONU)
aONU
Opis Redukcja Podział Down: Słaba Niski Mała
kosztów je- up/down 1 A/ON U
dnostki Up:
ONU 1) Podział
czasowy
2) protokół
CSMA
/CD
CSMA/CD (ang. Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection) - wielodostęp do łącza
ze śledzeniem stanu nośnej z detekcją kolizji.
Architektura RITENET (ang. Remote Interrogation ot Terminal Network)
Na rysunku 6.10 przedstawiono architekturę typu RITENET. W tym rozwiązaniu nie
ma nadajników w jednostkach ONU. W OL T znajduje się laser przestrajalny
emitujący dla każdej jednostki ONU inną długość fali. Sygnał optyczny w kierunku
downstream jest emitowany w postaci paczek o różnych długościach fali. Paczka
składa się z danych przeznaczonych dla konkretnej jednostki ONU i sygnału ciągłego.
W każdej jednostce ONU odbierany sygnał jest rozdzielany i część jego trafia do
odbiornika, a część do modulatora. W modulatorze ma miejsce modulacja sygnału
ciągłego; dalej ten sygnał jest wysyłany w kierunku OL T. W tej architekturze
stosuje się trzy rodzaje zwielokrotnienia: przestrzenne (osobne włókna dla kierunku
6.1. Technika WDM w sieciach dostępowych
167
OL T
A1 ON U
---------
Rx
Modulator
---------
L- . A1
ID
+ol .
::::J .
a: A2
--------- ONU
Rx
Modulator
---------
1.. 2
A2 A1
--------- ---------
Przestrajalny
nadajnik WDM
mm
ID[]])
A1 A2
_______u ..-------
Przestrajalny D DD D DD DD D
odbiornik WDM
Rys. 6.10. Architektura typu RITENET
transmisji downstream i upstream), długości fali i czasu. Podstawową wadą tego
rozwiązania jest to, że sygnał, który ma być nadany przez jednostkę OND, musi
być wcześnie wysłany w kierunku downstream. Powoduje to znaczne obniżenie
poziomu mocy optycznej sygnału docierającego do OLT [6.5]. Tabela 6.4 zawiera
krótką charakterystykę architektury RITENET.
Tabela 6.4. Charakterystyka architektury RITENET
Koszt Maksymal-
na odleg-
Główna Podział Podział Skalowal- terminala
RITENET łość mię-
zaleta włókna długości fal i ' , użytkowni-
nosc dzy OL T
ka (ONU)
aONU
Opis Redukcja Podział 1) Podział Słaba Niski Bardzo
kosztów je- up/down czasowy mała
dnostki 2) Przydzie
ON U lanie dy-
namlcz-
ne
Multi-stage (ang. Multistage A WG-based WDM-PON)
Podstawową wadą przedstawionych rozwiązań CPON, LARNET i RITENET jest
ich słaba skalowalność; występują duże problemy przy rozbudowie sieci o dodat-
kowe jednostki OND. Próbą przezwyciężenia tych ograniczeń jest architektura
typu Multi-stage. Jej pomysł jest oparty na wielokrotnym użyciu tych samych
długości fali, tzn. dana długość fali obsługuje więcej niż jedną jednostkę OND
[6.6]. Na rysunku 6.11 pokazano przykład takiej architektury, ilustruje on sposób
w jaki można rozbudować system składający się z 8 jednostek OND na system
mający ich 32. Rozbudowa wymagała kaskadowego dołożenia dodatkowych
elementów demultipleksujących sygnał wielofalowy.
168
Technika WDM w systemach telekomunikacyjnych
OLT
j.}1, j.}2,..., AI 16
Nadajnik ___uuu..
WDM
-
C)
--
co
x
N .
L- .
(J.)
..... .
::::J
Nadajnik a::
WDM _u__u__..
A21, A22,...,A216
A 1 1 , A 2 S,A 1 9 ,A 213
____m_m_mm_. Ruter 1 x4
(AWG)
} 2, A 2 6 ,A l lO ,A 2 14
m_m___mum_. Ruter 1 x4
(AWG)
ONU1
ONU2
ONU3
ONU4
Ruter 1 x4
(AWG)
Rys. 6.11. Architektura typu Multi-stage
Rozbudowa polegała na dołożeniu dodatkowego rutera wykorzystującego elementy
typu A WG i dalej kolejnych czterech w celu rozdzielenia sygnału składającego się
z 4 długości fali do poszczególnych jednostek ONU. Tabela 6.5 zawiera krótki opis
architektury typu Multi-stage.
Tabela 6.5. Opis architektury Multi-stage
Koszt Maksymal-
Podział na odleg-
Multi- Główna Podział Skalowal- terminala
długości łość mię-
stage zaleta włókna ' , użytkowni-
fali nosc dzy OL T
ka (ONU)
aONU
,
Opis Skalowal- Podział W zależno- Dobra W zależno- Srednia
ność sieci up/down ści od reali- ści od reali-
PO N i sze- zacJI zacJI
roki zakres upstream upstream
usług
Super-PON
Jak już wspomniano, w klasycznych systemach PON mamy silne ograniczenie ich
zasięgu i liczby jednostek ONU wynikające z bilansu mocy. Próbą obejścia tego
problemu jest architektura typu super-PONo Cechą charakterystyczną tego roz-
wiązania jest przede wszystkim jego duży zasięg dochodzący do 100 km i duża
wartość współczynnika podziału sygnału optycznego dochodzącego nawet do
2000. Kluczowym elementem sieci jest wzmacniacz optyczny (w związku z czym
sieć przestaje być formalnie siecią pasywną). W sieciach super-PON uwidacznia
się tendencja do łączenia sieci transportowej z siecią dostępową. Przykład omawianej
architektury pokazano na rys. 6.12. W tym rozwiązaniu można wyodrębnić
następujące sekcje: dystrybucyjną obejmującą elementy rozdzielające sygnał
optyczny i światłowody dochodzące do jednostek ONU, wzmacniająco-roz-
6.1. Technika WDM w sieciach dostępowych
169
OLT
Sekcja wzmacniająco-rozdzielająca
Wzmacniacz
optyczny
ONU
Wzmacniacz
optyczny
Wzmacniacz
optyczny
Laser
Wzmacniacz
optyczny
Rys. 6.12. Architektura typu Super-PON
dzielającą, gdzie ma miejsce wzmocnienie oraz pierwszy podział sygnału oraz
doprowadzającą sygnał optyczny z aLT do sekcji wzmacniająco-rozdzielającej.
W super-PaN wykorzystuje się dwa zakresy długości fali; jeden dla kierunku
transmisji downstream i drugi dla kierunku transmisji upstream. Dla kierunku
downstream zarezerwowane są zwykle długości fali z przedziału od 1525 nm do
1543 nm; ten przedział długości fali określany jest jako niebieska połowa (ang.
blue half) wykorzystywanego widma optycznego. Dla kierunku upstream prze-
znaczone są długości fali z zakresu od 1547 nm do 1565 nm; ten przedział jest
nazywany czerwoną połową (ang. red half) wykorzystywanego widma optycznego.
Poszczególne zakresy długości fali są rozdzielane za pomocą filtru optycznego
RBF (ang. Red or Blue Filter). Sygnał przeznaczony do transmisji w kierunku
upstream jest generowany w bloku wzmacniającym i jest to sygnał ciągły. Sygnał
wygenerowany przez znajdujący się tam laser jest wzmacniany i po rozdzieleniu
trafia do właściwych jednostek aND. Tam podlega on ponownemu wzmocnieniu
Tabela 6.6. Charakterystyka architektury Super-PON
Koszt Maksymal-
Podział na odleg-
Super- Główna Podział Skalowal- terminala
długości łość mię-
-PON zaleta włókna ność użytkowni-
fali dzy OL T
ka (ONU)
aONU
Opis Duży za- Podział Down: Dobra Wysoki Duża (ok.
sięg i sze- up/down Podział 100 km)
roki zakres czasowy
usług Up:
Podział
czasowy
170
Technika WDM w systemach telekomunikacyjnych
i modulacji; zwykle jest to robione za pomocą układu modulatora elektroabsorp-
cyjnego i półprzewodnikowego wzmacniacza optycznego (ang. EAM-SOA - Elec-
troAbsorption Modulator-Semiconductor Optical Amplifier). Sygnały optyczne
transmitowane w kierunku upstream są również wzmacniane w drodze do OL T;
wzmocnienie następuje w bloku wzmacniającym i w bloku OL T przed procesem
demultipleksacji. Z kolei sygnał w kierunku transmisji downstream jest poddawany
wzmocnieniu tylko w bloku wzmacniającym. Wadą tej architektury jest jej
złożoność i duża liczba elementów wymagających monitorowania i dość złożonego
zarządzania [6.7]. Tabela 6.6 zawiera krótkie zestawienie głównych cech charak-
terystycznych dla architektury typu Super-PONo
6.2. Technika WDM w sieciach miejskich
Optyczną sieć miejską (zwaną również siecią metropolitalną) można potraktować
jako strukturę łączącą sieci dalekiego zasięgu z sieciami dostępowymi lub łączącą
ze sobą różne sieci dostępowe. Tradycyjnie traktuje się sieć miejską jako pewną
odmianę sieci dalekiego zasięgu tyle tylko, że w mniejszej skali. Jest to prawdą
w tym sensie, że sieci miejskie muszą sprostać wymaganiom stawianym sieciom
dalekiego zasięgu, jeśli chodzi np. o duże przepływności. Z drugiej jednak strony
można zaobserwować wiele różnic. Jedną z nich jest to, że architektura sieci
miejskiej wciąż ulega zmianom powodowanym przede wszystkim przez wymagania
pojawiające się ze strony rozwiązań występujących w sieciach dostępowych.
W przeciwieństwie do architektury sieci miejskiej architektura sieci dalekiego
zasięgu jest zdecydowanie stabilniejsza. Cechą charakterystyczną dla sieci miejskich
jest to, że muszą mieć możliwość obsługi zróżnicowanego ruchu telekomunikacyj-
nego. Ze względu na konieczność sprostania wymaganiom dużych przepustowości
obecnie powszechnie w sieciach miejskich wykorzystuje się technikę WDM.
Technika WDM w sieciach miejskich jest atrakcyjna przede wszystkim ze względu
na jej przezroczystość, czyli możliwość bezkolizyjnego przenoszenia danych
o różnym pochodzeniu, np. ATM, SDH, Ethernet, Fiber Channel. Ważną zaletą
techniki WDM jest jej skalowalność pozwalająca na szybką i prostą rozbudowę
istniejącej sieci miejskiej [6.8]. Do podstawowych konfiguracji połączeniowych
wykorzystywanych w sieciach miejskich zaliczamy topologie typu: punkt-punkt,
pierścieniową i kratową.
Topologia typu punkt-punkt
Na rysunku 6.13 pokazano przykład topologii typu punkt-punkt. W przypadku tej
topologii możemy spotkać się z rozwiązaniami z i bez krotnicy transferowej.
W przypadku tego typu sieci miejskich odległość między nadajnikiem a odbior-
nikiem nie przekracza zwykle około 10 km. W tym rozwiązaniu nie stosuje się
wzmacniaczy. Konfiguracja punkt-punkt tradycyjnie jest przeznaczona do przeno-
szenia ruchu o dużych przepływnościach w kanałach ( > 10 Gbit/s). W przypadku
tej konfiguracji stosowane są mechanizmy zabezpieczenia (protekcyjne) typu I + l,
6.2. Technika WDM w sieciach miejskich
171
a
Węzeł
A
Węzeł
B
b
Węzeł OADM Węzeł
A B
Rys. 6.13. Topologia typu
punkt-punkt: a) bez krotnicy
transferowej , b) z krotnicą
transferową
l : l i l :N. W zabezpieczeniu typu l + l ta sama informacja jest przenoszona
dwoma ścieżkami (światłowodami). W odbiorniku jest wybierany sygnał o lepszej
jakości. Kiedy jedna ścieżka ulegnie uszkodzeniu, odbiornik przełącza się na
odbiór z drugiej ścieżki. W zabezpieczeniu typu l: l w drugim, protekcyjnym
światłowodzie jest przenoszony sygnał o mniejszym priorytecie. W zabezpieczeniu
typu I:N jedno włókno zabezpieczeniowe jest współdzielone przez N włókien
roboczych [6.9].
Topologia pierścieniowa
Topologia pierścieniowa jest najczęściej spotykaną w rozwiązaniach sieci miejskich.
Możemy spotkać się z pierścieniami o długości dochodzącej do kilkudziesięciu
kilometrów. N a rysunku 6.14 pokazano przykład topologii pierścieniowej.
Koncentrator
""l "
A1, A2,...,An
OADM
OADM
A1
A1, A2,...,An
OADM
r
"
A2
A2
Rys. 6.14. Topologia pierścieniowa
172
Technika WDM w systemach telekomunikacyjnych
W sieci tego typu może równocześnie pracować kilka systemów WDM. Kluczo-
wymi elementami tej struktury są optyczne krotnice transferowe. Duża ich liczba
w pierścieniu może powodować dość znaczne straty mocy optycznej, co często
pociąga za sobą konieczność wykorzystania wzmacniaczy optycznych.
Rodzaje rozwiązań zabezpieczeń pracy pierścieni WDM są podobne do tych, jakie
się sprawdziły w odniesieniu do systemów SDH. W zależności od mechanizmu
zabezpieczenia możemy spotkać się z implementacją na poziomie optycznym
pierścienia jednokierunkowego z przełączaną ścieżką (ang. UPSR - Unidirectional
Path Switched Ring), pierścienia dwukierunkowego z przełączaną ścieżką (ang.
BPSR - Bidirectional Path Switched Ring), czy też pierścienia dwukierunkowego
z przełączaną linią (ang. BLSR - Bidirectional Line Switched Ring).
Na rysunku 6.15 pokazano schemat budowy pierścienia jednokierunkowego
z przełączalną ścieżką. W tej strukturze węzły są łączone za pomocą światłowodów
tworzących dwa niezależne pierścienie, tj. pierścień roboczy i zabezpieczający.
Ruch w pierścieniu roboczym odbywa się w kierunku zgodnym z ruchem
wskazówek zegara, z kolei w pierścieniu zabezpieczającym w kierunku przeciwnym.
Wielokrotnie w celu podwyższenia niezawodności pracy systemu dokonuje się
zdublowania procesu przesyłania danych. Realizowane jest to przez kierowanie
tego samego ruchu tak do pierścienia roboczego jak i do pierścienia zabez-
. .
pleCZającego.
Węzeł A
Węzeł B
.
.
.
.
roboczy
--------.- zabezpieczający
IT
.
.
.-- _._-------------_._------------------------------------.----------------.---- --------- ......
Węzeł C
Węzeł D
Rys. 6.15. Pierścień
jednokierunkowy
z przełączalną ścieżką
W przypadku uszkodzenia np. przecięcia światłowodu następuje przejście na
pierścień zabezpieczający (rys. 6.15). Przedstawiony system zabezpieczenia należy
do klasy zabezpieczeń typu 1 + 1. Pierścień taki nazywa się również optycznym
6.2. Technika WDM w sieciach miejskich
173
pierścieniem z dedykowaną rezerwą dla kanału optycznego (ang. OChDPR - Optical
Channel Dedicated Protection Ring). Podstawową wadą tego rozwiązania jest to,
że ten typ protekcji uniemożliwia wykorzystanie tych samych długości fali dla
różnych połączeń zlokalizowanych w różnych częściach pierścienia [6.10].
Na rysunku 6.16 pokazano pierścień dwukierunkowy z przełączaną ścieżką.
Pierścień tego typu można rozpatrywać jako zbiór wirtualnych pierścieni składający
się z pojedynczego kanału roboczego i skojarzonego z nim, pojedync.zego kanału
zabezpieczającego.
Węzeł A
Węzeł B
-
- .
roboczy
- - - - - - - - - . zabezpieczający
- - - - - - - - - .
1-, ,..
I
:
'u .__.._.--------_.---.-..-..------_._--------------------------_.........----- ..... -- u_u _
-_....--.......... ----------------------------------------------------------..------...--------- --- ...
Węzeł C
Węzeł D
Rys. 6.16. Pierścień
dwukierunkowy
z przełączaną ścieżką
Zabezpieczenie tego typu należy do kategorii mechanizmów zabezpieczeniowych
l :N, co oznacza, że łącza przeznaczone do celów protekcyjnych są współdzielone
przez wszystkie łącza robocze w ramach danego pierścienia, a nie są przypisane
im na stałe jak to ma miejsce w przypadku mechanizmu 1:1. W przypadku awarii
wykorzystuje się mechanizm przełączania całego pierścienia (ang. ring switching).
W takiej sytuacji następuje przełączenie protekcyjne pierścienia, które powoduje
zestawienie połączenia protekcyjnego dla danego kanału poprzez węzły nieobjęte
uszkodzeniem. Ten typ pierścienia jest również nazywany optycznym pierścieniem
dwukierunkowym z dzieloną rezerwą (ang. OCHSPR - Optical Channel Shared
Protection Ring) [6.10].
Na rysunku 6.17 przedstawiono budowę dwuwłóknowego pierścienia dwukierun-
kowego z przełączaną linią. W tego typu rozwiązaniu w danym włóknie
światłowodowym przeprowadza się podział długości fali na dwie grupy: roboczą
i zabezpieczającą. W przypadku uszkodzenia węzła lub światłowodu wykorzy-
174
Technika WDM w systemach telekomunikacyjnych
Węzeł A Węzeł B
-- --_._-_._-------------------_._----------------_........-------------------- ....--------
- - -----------....----------------.....-....------.........------------------------------ -------..--
roboczy
- - - - - - - - - . zabezpieczający
- - - - - - - - - .
IX)
... ....
.
. -_ -_-_-_-_-_-_ -_ -_ -. -.-._._. -.-...._._ ._.__.o_-_-_ -_-_ -_ -_-_____-_ -_-0-_-_°.-_____-_-_°_-_:-_-_____-_-_-_-_-.-.-.____-:_ -_-_ -_._ -___-_ -_-_ -_ -_ -_ -_-_-_- ------ .
... ...---- ------ ...
:-
..
Węzeł C
Węzeł D
Rys. 6.17. Dwuwłóknowy
pierścień dwukierunkowy
z przełączalną linią
stuje się mechanizm zabezpieczający polegający na utworzeniu pętli zwrotnej
(ang. lo op-ba ck). Dzięki temu następuje przekierowanie wszystkich zagrożonych
kanałów optycznych do włókien zabezpieczających, a ich transmisja odbywa się
w kierunku przeciwnym do pierwotnej.
Możemy spotkać się również z czterowłóknowym pierścieniem dwukierunkowym
z przełączalną linią. Czterowłóknowy pierścień dwukierunkowy można potraktować
jako złożenie dwóch dwuwłóknowych pierścieni dwukierunkowych. Jeden z nich
pełni rolę pierścienia roboczego a drugi zabezpieczającego. W tego typu konstrukcji
mamy dwa typy zabezpieczeń. Pierwsze z nich to przełączanie przęsła (ang. span
switching) i jest on wykonywany w sytuacji uszkodzenia jednego lub obu torów
przęsła pierścienia roboczego. Drugie zabezpieczenie opiera się na wykorzystaniu
pętli zwrotnej i jest ono realizowane w przypadku uszkodzenia włókien pierścienia
roboczego i zabezpieczającego na odcinku tego samego przęsła. W sytuacji
korzystania z protekcji wykorzystującej mechanizm przełączania przęsła następuje
przekierowanie wszystkich kanałów optycznych (długości fali) z włókna uszkodzo-
nego do włókna zabezpieczającego łączącego te same węzły sieci co włókno
uszkodzone. W przypadku stosowania protekcji opartej na pętli zwrotnej następuje
wyraźny wzrost długości drogi toru transmisyjnego (w naj gorszym przypadku
nawet dwukrotne). Może to mieć znaczący wpływ na jakość pracy systemów
opartych na dużych strukturach pierścieniowych [6.10].
Topologia kratowa
Konfiguracja tego typu składa się z połączonych ze sobą węzłów optycznych
tworzących strukturę połączeniową przypominającą kratę (ang. mesh). Kluczowym
6.2. Technika WDM w sieciach miejskich
175
elementem tej struktury jest przełącznica optyczna. W tym przypadku mechanizm
zabezpieczeń nie jest już oparty na rezerwowych elementach fizycznych (np.
światłowodach), ale na rezerwach tworzonych przez długości fali. Oznacza to, że
w celu ominięcia uszkodzenia sieci następuje zmiana (konwersja) długości fali, na
której przesyłane są dane. Czyni to sieć odporniejszą na ewentualne uszkodzenia,
ale z drugiej strony zdecydowanie trudniejszą do zarządzania.
Obecnie raczej nierealne wydaje się pełne wprowadzenie, opartych na technice
WDM, czysto optycznych sieci miejskich. Należy raczej spodziewać się stop-
niowego zajmowania przez technikę WDM poszczególnych fragmentów sieci.
Zauważalne jest jednak stopniowe przechodzenie z aktualnie pracujących sieci
SDH na rozwiązania charakterystyczne dla sieci czysto optycznych [6.9]. Na
rysunku 6.18 pokazano przykład sieci o coraz bardziej popularnej konfiguracji
połączeniowej określanej mianem pierścieniowo-kratowej.
OXC
OADM
OADM
OADM
Pierścień
OADM
OXC
OXC
Główny pierścień
Pierścień
OADM
OADM
OXC
Pierścień OADM
OADM
Rys. 6.18. Konfiguracja pierścieniowo-kratowa
Z kolei na rysunku 6.19 pokazano konfigurację pierścieniowo-kratową wykorzys-
tującą wirtualne połączenie między wybranymi węzłami sieci.
Na chwilę obecną wydaje się, że sieci miejskie będą miejscem, gdzie będzie można
spotkać wszystkie trzy opisane topologie (punkt-punkt, pierścieniową, kratową);
oczywiście to, która z nich jest w danym miejscu stosowana zależy od konkretnych
warunków i potrzeb.
176
Technika WDM w systemach telekomunikacyjnych
OXC
OAOM
--.... -..... --..... -..... -.. ..--..... --............ --....
,
'.OAOM
Rys. 6.19. Konfiguracja
pierścieniowo-kratowa
z wirtualnym połączeniem
między wybranymi węzłami
Technika WDM jest również z powodzeniem stosowana przy obsłudze tzw. sieci
pamięci masowych (ang. SAN - Storage Area Network). Sieć pamięci masowej to
wydzielona sieć przeznaczona, jak sama nazwa wskazuje, do obsługi banków
SAN 1
/ ----------
(I ,x l ')
"''-- [j-{ +-
----- -
-- -----------
"" "
A1, A2,...,An
o
A
D
M
SAN 3
O -------------------
---- / ,-)----1-' '"
A I , , I - T J "
. '" // \
. l x )
D \ / "\," I
, [ -"l ----'-l /
--- -{ I /
M --,... --_ __ __--=
""l "
A1, A2,...,An
OAOM
I
//-i -- -J
( R 1JI -
. "'''\, /)
'
SAN 2
Rys. 6.20. Zastosowanie
techniki WDM w sieciach SAN
6.3. Technika WOM w sieciach dalekiego zasięgu
177
pamięci w celu zapewnienia sprawnego przesyłania danych między nImI oraz
szybkiego dostępu do nich. W tego typu sieciach wykorzystuje się takie protokoły
jak Fibre Channel (najpopularniejszy), ESCON czy też Gigabit Ethernet. Pod-
stawowym problemem tego typu sieci jest zasięg i tak w przypadku protokołu
Fibre Channel maksymalny zasięg transmisji wynosi ok. 10 km (wynika to
z zastosowanego mechanizmu kontroli przepływu danych) [6.11]. Sposobem na
zwiększenie zasięgu i uelastycznienie tego typu sieci jest min. zastosowanie
techniki WDM (rys. 6.20). W przedstawionym na rys. 6.20 rozwiązaniu za pomocą
sieci o konfiguracji pierścieniowej wykorzystującej technikę WDM łączy się
wydzielone sieci typu SAN oddalone od siebie na kilkadziesiąt a nawet kilkuset
km. Rozwiązanie to zdecydowanie zwiększa zasięg pracy systemów typu SAN.
Należy jednak pamiętać, że samo zastosowanie techniki WDM nie gwarantuje
transmisji na duże odległości z odpowiednim poziomem jakości. W celu zapew-
nienia prawidłowej pracy np. protokołu Fibre Channel na tak duże odległości
wymagane jest zastosowanie pewnych mechanizmów związanych ze sposobem
buforowania danych. Jednym z takich rozwiązań jest technika buffer credit
spoofing [6.12].
6.3. Technika WDM w sieciach dalekiego zasięgu
Postęp techniczny i technologiczny widoczny w przeciągu ostatnich kilkunastu lat
zaowocował z jednej strony możliwością transmisji danych na duże odległości
z dużymi przepływnościami (przekraczającymi 10 Gbit/s), a z drugiej praktycznym
zastosowaniem techniki WDM zwiększającej przepustowość istniejących systemów.
Wdrożenie techniki WDM spowodowało obniżenie kosztów działających systemów
i uczyniło z sieci dalekiego zasięgu narzędzie mogące spełnić wzrastające
zapotrzebowanie na coraz większe przepustowości. Od momentu wprowadzenia do
komercyjnych zastosowań techniki WDM miał miejsce stały wzrost oferowanej
przepustowości poprzez zwiększanie liczby kanałów optycznych; z kilku kanałów
niosący ruch z przepływnością 2,5 Gbit/s do obecnych systemów z kilkuset
kanałami o przepływnościach 10 Gbit/s każdy. Dotychczas wykorzystywane
systemy oparte na przepływnościach w kanale 2,5 Gbit/s pozwalały na uzyskiwanie
odległości między stopniami regeneracyjnymi około 300-600 km. Zwiększenie
jednak przepływności powoduje zmniejszenie tej odległości (wpływ dyspersji
chromatycznej i polaryzacyjnej); co pociąga za sobą wzrost kosztów infrastruktury.
W latach 90. mogliśmy zaobserwować olbrzymią zmianę zachodzącą w sposobie
przenoszenia ruchu telekomunikacyjnego w sieciach dalekiego zasięgu. Początkowo
były powszechnie stosowane systemy o topologii punkt-punkt, pod koniec lat 90.
mogliśmy zaobserwować upowszechnienie się topologii pierścieniowej z pełnym
wykorzystaniem oferowanych przez nią mechanizmów zabezpieczeniowych.
Nastąpiła również zmiana w rodzaju przesyłanego ruchu; z obsługi wyłącznie
głosowej na rzecz, odgrywającego coraz ważniejszą rolę, transferu danych [6.9,
6.13 ].
178
Technika WDM w systemach telekomunikacyjnych
Sieci dalekiego zasięgu dzielą się na: konwencjonalne (ang. CLH - Conventional
Long Haul) o długości od ok. l 00 km (zasięg dużych sieci miejskich) do ok. 600 km
między regeneratorami, o rozszerzonym zasięgu (ang. ELH - Extended Long Haul)
o długości od ok. 600 km do ok. 2000 km i o ultradużym zasięgu (ang. ULH - Ultra
Long Haul) o długości powyżej 2000 km. Jak wskazują badania rynkowe największa
koncentracja ruchu tranzytowego przypada na połączenia typu ELH (ok. 51 %)
i CLH (ok. 45 %), pozostały ruch odbywa się w połączeniach przekraczających
2000 km, czyli w sieciach typu ULH. Systemy typu CLH są wykorzystywane przede
wszystkim wszędzie tam, gdzie mamy do czynienia z dość niewielką odległością
między dużymi ośrodkami miejskimi. Sytuacja taka ma miejsce np. w Europie czy
też we wschodniej część Stanów Zjednoczonych; np. dla Europy typowa odległość
między dużymi miastami wynosi od 70 km do 100 km. Jeśli chodzi o systemy typu
ULH, to obecnie podstawowym ich problemem są wysokie koszty budowy
i utrzymania, co w naturalny sposób ogranicza ich stosowanie [6.10, 614, 6.15].
Biorąc pod uwagę technikę transmisji, to w połączeniach dalekiego zasięgu
dominuje technika DWDM, która gwarantuje dużą agregację ruchu.
Dalej przedstawiono krótką charakterystykę sieci podmorskich i lądowych dalekiego
zaSIęgu.
Sieci podmorskie
W przypadku systemów podmorskich olbrzymie znaczenie ma duża niezawodność
stosowanych elementów składowych, co wynika bezpośrednio z bardzo dużych
kosztów ewentualnych napraw. Mają tu również miejsce zagrożenia niespotykane
w przypadku innych sieci; przykładowo można wymienić uszkodzenia powodowane
przez kotwice statków lub sieci rybackie. W celu uniknięcia tego typu zagrożeń
od lat 80. na obszarach, gdzie takie zagrożenia mogą mieć miejsce kable
światłowodowe zakopuje się pod dnem morskim na głębokości ok. 1 m.
Koszty ewentualnego wydobycia zatopionych elementów systemu, czy też samego
kabla i ich naprawy są bardzo duże. Jak jednak wskazują statystyki naprawy na
otwartym morzu przeprowadza się rzadko (np. w północnej części Atlantyku
typowo raz na trzy lata). Okazuje się, że tylko 20% uszkodzeń systemów ma
miejsce na morzu reszta przypada na lądowe odcinki sieci [6.16]. Systemy
podmorskie okazały się na tyle niezawodne i niezbyt kosztowne, że obecnie
pokrywają prawie cały glob. Wraz z popularyzacją techniki WDM zaczęto ją
również stosować w sieciach podmorskich.
W tabeli 6.7. zawarto dane dotyczące przepustowości wybranych sieci podmorskich
wykorzystujących technikę WDM [6.17]. Zastosowanie dla połączeń podmorskich
techniki WDM zapewnia im zwiększenie przepustowości i elastyczność. Wprowa-
dzenie dodatkowych długości fali powoduje, że uzyskujemy dodatkową płaszczyznę,
na której możemy modyfikować sposób pracy systemu. Pojawia się możliwość
elastycznego przekierowywania ruchu i rekonfigurowania sieci bez konieczności
zmiany fizycznego położenia światłowodów. Jak już wspomniano niewątpliwą
zaletą techniki WDM jest proste zwiększenie przepustowości istniejących sieci.
6.3. Technika WDM w sieciach dalekiego zasięgu
179
Tabela 6.7. Parametry wybranych sieci podmorskich wykorzystujących technikę WDM
Liczba kanałów Przepływność
Liczba par WDM Długość
Nazwa w kanale
włókien w kablu w pojedynczym [km]
[Gbit/s]
włóknie
SEA-ME-WE 3 2 4 2,5 30000 1 )
FLAG-Pacyfik 8 64 10 22 000 2 )
APCN 4 64 10 11 500 3 )
TAT-14 4 16 10 15000 4 )
Africa One 2 8 2,5 35 000 5 )
1) łączy: Singapur, Malezję, Tajwan, Południową Koreę, Wietnam, Filipiny, Chiny i Japonię
2) łączy: Japonię, Stany Zjednoczone i Kanadę
3) łączy: Tajwan, Filipiny, Hong Kong, Malezję i Singapur
4) łączy: Stany Zjednoczone, Francję, Wielką Brytanię, Danię i Holandię
5) łączy kraje leżące wzdłuż wybrzeża Afryki
Można to pokazać na przykładzie sieci T AT -n. W roku 1988 uruchomiono sieć
T A T -8 łączącą Stany Zjednoczone, Wielką Brytanię i Francję. Przenosiła ona ruch
na dwóch parach światłowodów z wykorzystaniem systemu PDH (ang. Plesioch-
ronous Digital Hierarchy). Całkowita przepustowość wynosiła 560 Mbit/s. Obecnie
w eksploatacji mamy sieć T AT -14 o parametrach podanych w tab. 6.5 i o całkowitej
przepustowości 640 Gbit/s; pracującą z wykorzystaniem systemu SDH [6.18].
W sieciach podmorskich w przypadku wystąpienia uszkodzenia przewiduje się
dwa sposoby odtworzenia ruchu. Pierwszy polega na przełączeniu na zapasowe
urządzenia sieciowe. Drugi opiera się na wykorzystaniu połączenia satelitarnego.
Jednakże w przypadku przenoszenia przez światłowód podmorski dużych ilości
danych, to drugie rozwiązanie jest nieefektywne. Dlatego też okazało się niezbędne
zastosowanie w sieciach podmorskich mechanizmów zabezpieczeniowych typowych
dla struktur pierścieniowych. Na przykład sieci T A T -14 i TCP-5 są sieciami
samonaprawiającymi o architekturze pierścieniowej (ang. self-healing ring network)
[6.18].
Kluczowymi elementami optycznymi sieci podmorskich są: wzmacniacze optyczne,
elementy kompensujące dyspersję chromatyczną i ewentualnie polaryzacyjną
i optyczne elementy rozgałęziające. Wzmocnienie sygnału jest realizowane za
pomocą wzmacniaczy optycznych typu EDF A zwykle z pompą optyczną pracującą
na długości fali na 1480 nm oraz wzmacniaczy Ramana.
Na rysunku 6.21 pokazano typowe, występujące w rzeczywistych systemach,
odległości między stopniami wzmacniającymi przy różnej liczbie kanałów i różnym
zasięgu [6.19].
Ze względu na występowanie dość znacznych odległości między stopniami
wzmacniającymi i dużą liczbę wykorzystywanych w sieci wzmacniaczy przeloto-
wych należy zwrócić szczególną uwagę na możliwość wystąpienia nierównomier-
nego wzmacniania poszczególnych kanałów WDM. W sieciach podmorskich ze
180
-
Technika WDM w systemach telekomunikacyjnych
r-o 120
E
........
* 4x2,5 GbitJs
E *
ro
N
u
. ro 1 00 * o 8x2,5 GbitJs
c
u o
ro
E x x 16x2,5 GbitJs
N
o
>.
N 80 x *
"'C
CI>'
E
'u *
'CI)
o o
......
(j)
Q) 60 x
"'C o
O
X
40
1500
3000
4500
6000
7500 9000
Długość systemu [km]
Rys. 6.21. Odległość między stopniami wzmacniającymi
względu na trudny dostęp do stopni wzmacniających spotykamy się z kilkoma
ciekawymi rozwiązaniami problemu wzmacniania sygnału; jednym z nich jest
wykorzystanie zdalnego pompowania odcinka światłowodu domieszkowanego
erbem (patrz rozdz. II).
W tabeli 6.8 przedstawiono porównanie stosowanych technik wzmocnienia sygnału
stosowanych w sieciach podmorskich wraz z osiąganymi zasięgami transmisji dla
dwóch systemów WDM, tj. 8-kanałowego systemu WDM o przepływności
2,5 Gbit/s w kanale oraz dla systemu ] 6-kanałowego o przepływności 10 Gbit/s
w kanale [6.20J.
Tabela 6.8. Porównanie stosowanych technik wzmocnienia dla dwóch systemów
WDM
Zasięg [km]
Technika wzmocnienia
8 kanałów po 2,5 Gbit/s 16 kanałów po 10 Gbit/s
Wzmacniacz końcowy 261 223
i przedwzmacniacz typu EDFA
Przedwzmancniacz ramanowski 300 261
Zdalnie pompowany wzmacniacz typu 338 305
EDFA
Zdalnie pompowany wzmacniacz typu 349 315
EDFA i wzmacniacz ramanowski
-
6.3. Technika WDM w sieciach dalekiego zasięgu
181
a
Kabel
światłowodowy
A, B ,e, D - węzły sieci
b
Kabel światłowodowy
A, B, e, D - węzły sieci
1,2,3,4 - elementy rozgałęziające
2
Rys. 6.22. Typowe architektury sieci podmorskich:
a) pierścień, b) typu "trunck and branch"
Kolejną ważną sprawą jest przeciwdziałanie zjawisku dyspersji chromatycznej (w
niektórych przypadkach również polaryzacyjnej). Jest to realizowane za pomocą
kompensatorów dyspersji (patrz rozdz. II).
W sieciach podmorskich możemy spotkać się z konfiguracją połączeniową
pierścieniową i typu "trunk and branch" [6.18]. Na rysunku 6.22 pokazano typowe
architektury stosowane w sieciach podmorskich. Pierwsza z nich to klasyczna
struktura pierścieniowa, w której można zastosować mechanizmy zabezpieczeniowe
opisane przy sieciach miejskich (oczywiście z uwzględnieniem zdecydowanie
większych odległości między węzłami).
Na rysunku 6.23 przedstawiono przykład realizacji struktury pierścieniowej na
przykładzie sieci MAC. Z kolei, przykładem struktury sieciowej typu "trunk and
182
Technika WDM w systemach telekomunikacyjnych
St Croix tJ.
\.
Rys. 6.23. Sieć MAC [6.21]
rubl
u nto Fijo f)
Rys. 6.24. Sieć
Pan-American [6.21]
branch" może być sieć Pan American (rys. 6.24). Struktura fizyczna tego
rozwiązania jest taka, że poszczególne węzły sieci znajdujące się na lądzie są
podłączone do głównego kabla podmorskiego (ang. trunk cable) przez kable
rozgałęziające (ang. branch cable) dochodzące do jednostek rozgałęziających (ang.
branch unit). Za pomocą jednostek rozgałęziających ruch z poszczególnych
węzłów lądowych jest wprowadzony do głównego kabla podmorskiego.
6.3. Technika WDM w sieciach dalekiego zasięgu
183
Jeżeli chodzi o elementy rozgałęziające, to spotykane są rozwiązania oparte na
fizycznym rozgałęzieniu włókien światłowodowych (pojedynczych włókien lub ich
par) jak i wykorzystujące kierowanie samych kanałów optycznych (długości fali).
Sieci lądowe
W połączeniach lądowych dalekiego zasięgu nie ma aż tak złożonych problemów
technicznych jak to ma miejsce w przypadku systemów podmorskich. Ogólne
szacunki wskazują, że połączenia lądowe są blisko lO-krotnie tańsze od połączeń
podn10rskich [6.10]. Wiążę się to z łatwiejszym dostępem do poszczególnych
elementów sieci, co powoduje obniżenie kosztów związanych z ich wymianą, czy
też naprawą i w związku z tym wymagania niezawodnościowe stawiane w przypad-
ku tych sieci mogą być mniejsze niż w przypadku instalacji podmorskich.
Podobnie jak w połączeniach podmorskich występują te same problemy wynikające
z długości samych łączy; dotyczy to takich kwestii jak wzmacnianie sygnału
optycznego czy tez kompensacji dyspersji chromatycznej i polaryzacyjnej. Ze
względu na łatwiejszy dostęp do poszczególnych elementów sieci nie stosuje się
w systemach lądowych zbyt często rozwiązań opartych na zdalnYlll pompowaniu
wzmacniaczy optycznych. W połączeniach lądowych zdecydowanie częściej niż to
ma miejsce w sieciach podmorskich wykorzystuje się duże przepływności
przekraczające 10 Gbit/s; co skutkuje koniecznością korzystania z kompensatorów
dyspersji chromatycznej i często również dyspersji polaryzacyjnej. W tego typu
systemach stosujemy również większą liczbę kanałów optycznych, co najczęściej
jest związane ze zmniejszeniem odległości między nimi; powoduje to możliwość
nasilenia się wpływu zjawiska mieszania czterofalowego.
W ewolucji lądowych sieci dalekiego zasięgu obserwujemy dążenie do tworzenia
olbrzymich sieci o konfiguracji mieszanej (pierścieniowo-kratowej), czy też wręcz
czysto kratowej (rys. 6.25).
Wyraźnie widoczną tendencją rozwojową tych systemów dalekosiężnych jest
dążenie do uzyskania przezroczystości, czyli tworzenia sieci czysto optycznych
bez konieczności konwersji na sygnał elektryczny. Takie rozwiązanie pozwoliłoby
na przenoszenie ruchu bez ograniczeń stawianych przez szybkość pracy podzes-
połów elektronicznych. Rozwiązania sieci czysto optycznych wymagają wprowa-
dzenia rekonfigurowalnych elementów rozgałęziających, czyli optycznych krotnic
transferowych, przełącznic optycznych, konwerterów długości fali i oczywiście
elementów optycznych typu 3R bez których o realizacji praktycznej sieci czysto
optycznych dużych zasięgów nie można mówić. Ze względu na brak komercyjnych
rozwiązań regeneratorów czysto optycznych próbuje się rozwiązać ten problem
stosując w ograniczonym stopniu regenerację sygnału elektrycznego, co wymaga
konwersji optyczno-elektryczo-optycznej (zwanej w skrócie OlE/O).
Obecnie możliwe są dwa rozwiązania związane ze stopniowym wprowadzaniem sieci
czysto optycznych. Pierwsze z nich nosi nazwę "wyspy czysto optyczne" (ang. islands
o! transparency), a drugie polega na uzyskaniu możliwie jak największego zasięgu
bez konwersji na sygnał elektryczny (ang. maximum transparency length) [6.23].
184
Technika WDM w systemach telekomunikacyjnych
I
J1
\.
.
Oslo 3.,. ,.-
. . . .....
. '-.a
Barcelona
.oa
.
4()
129 . .
'ł.t'...
()
C\;;
Rys. 6.25. Położenie głównych połączeń światłowodowych w Europie [6.22]
W pierwszym z nich wyspy czysto optyczne stanowią swoiste podsieci połączone
ze sobą za pomocą przełącznic optycznych. Regeneracja sygnału (połączona
z konwersją OlE/O) dla poszczególnych długości fali jest przeprowadzana pomiędzy
wyspami. Wadą tego rozwiązania jest niejako na sztywno ustawione miejsca
regeneracji sygnału; co może powodować przeprowadzanie regeneracji nawet
w sytuacjach, gdy nie jest ona wymagana. Inną jego wadą jest konieczność
ustawienia tylu stopni regeneracyjnych ile jest kanałów optycznych (można ten
problem rozwiązać stosując selektywną regenerację).
Drugie rozwiązanie polega na selektywnej regeneracji poszczególnych długości
fali w poszczególnych węzłach sieci. Takie rozwiązanie wymaga tego by każdy
z węzłów był wyposażony w przełącznicę optyczną oraz przełącznicę cyfrową
(ang. DXC - Digital Cross-Connect). W przypadku, gdy jest wymagana regeneracja
sygnału na danej długości fali w węźle następuje jego konwersja na sygnał
6.3. Technika WDM w sieciach dalekiego zasięgu
185
elektryczny, sygnał ten jest dalej przekierowywany przez przełącznicę cyfrową do
regeneratora. Po wyjściu z regeneratora sygnał elektryczny jest kierowany przez
przełącznicę cyfrową na wejście lasera przestrajalnego i dalej jest on konwertowany
na sygnał optyczny.
Technika kodowania FEC
W celu poprawy jakości pracy systemów dalekiego zasięgu powszechnie stosuje
się technikę kodowania z korektą błędu w przód (ang. FEC - Forward Error
Correction). Ta technika kodowania polega na dodaniu do przesyłanego ciągu
danych dodatkowych nadmiarowych bitów przez koder FEC w części nadawczej.
Nadmiarowe bity pozwalają dekoderowi FEC, znajdującemu się w części odbiorczej,
znaleźć i poprawić występujące błędy w transmisji. Zastosowanie tej techniki
pozwala na pracę systemu z niższym poziomem stosunku sygnału do szumu (co
ma miejsce przy zwiększaniu zasięgu transmisji) niż bez techniki FEC z jedno-
czesnym utrzymaniem tego samego poziomu elementowej stopy błędu. Parametrem
opisującym efektywność tego typu kodowania jest wzmocnienie kodowe (ang.
coding gain). Parametr ten określa różnicę w wartości optycznego stosunku
sygnału do szumu dla systemu pracującego przy określonej wartości elementowej
stopy błędu przy stosowaniu techniki FEC i bez jej stosowania. Pierwszym typem
kodu FEC zastosowanym powszechnie dla systemów dalekiego zasięgu (a były to
połączenia podmorskie) był kod Reed-Solomon (255,239). Jego zastosowanie
pozwala na poprawę elementowej stopy błędu z poziomu 10- 5 do poziomu 10-15;
co odpowiada wartości wzmocnienia kodowego równemu 6 dB. W systemach,
w których podstawowym ograniczeniem zasięgu transmisji są szumy taka wartość
wzmocnienia kodowego oznacza czterokrotne zwiększenie zasięgu transmisji [6.24].
Dobre wyniki daje również zastosowanie kodów typu BCH (Bose-Chaudhuri-
-Hocquenghem). Stosuje się również połączenie różnych kodów typu BCH i BCH
z RS. Dla przykładu w tab. 6.9 pokazano poprawę elementowej stopy błędu
uzyskaną dzięki użyciu kodu BCH(3860,3824) [6.24].
Tabela 6.9. Poprawa elementowej stopy błędu (BER) za pomocą kodu
BCH(3860,3824)
Przed korektą BER
3,50. 10- 3
3,44. 10- 3
3,37 . 10- 3
3,30. 10- 3
3,25 . 10- 3
320.10- 3
,
3 15 . 10- 3
,
3,10 . 10- 3
Po korekcie BER
1 ,00 . 1 0- 9
1 00. 1 0- 10
,
1 ,00 . 1 0- 11
1 ,00 . 1 0- 12
1 ,00 . 1 0- 13
1 00. 1 0- 14
,
1 00. 1 0- 15
,
1 00. 1 0- 16
,
186
Technika WOM w systemach telekomunikacyjnych
Tabela 6.10. Podstawowe cechy sieci dostępowych, miejskich i dalekiego zasięgu
Sieć dostępowa Sieć miejska Sieć dalekiego
zasięgu
Topologia Punkt-punkt, Pierścieniowa, Punkt-punkt,
pierścieniowa kratowa pierścieniowa,
kratowa
Całkowita długość do 75 km < 100 km do 300 km < 300 km
do 2000 km
Liczba kanałów do 16 32 do 64 powyżej 64
optycznych
Liczba węzłów od 6 do 8 od 8 do 16 od 5 do 12
w pierścieniu
Odległość między od 1 O do 30 km od ok. 40 do 300 km powyżej 300 km
węzłami
Elementy składowe Krotnice falowe, Krotnice falowe, Krotnice falowe,
optyczne krotnice optyczne krotnice optyczne krotnice
transferowe, transferowe, transferowe,
przełącznice wzmacniacze EDFA, wzmacniacze EDFA,
elektryczne kompensatory kompensatory
dyspersji dyspersji
chromatycznej, źródła ch romatycznej ,
przestrajal ne, kompensatory
konwertery długości dyspersji
fali, optyczne polaryzacyjnej, źródła
i elektryczne przestrajalne,
przełącznice konwertery długości
fali, optyczne
i elektryczne
przełącznice
W tabeli 6.10 pokazano krótkie zestawienie najbardziej charakterystycznych cech
typowych dla sieci dostępowych, miejskich i dalekiego zasięgu [6.25].
6.4. Transmisja IP po WDM
Klasycznym podejściem do transportu pakietów IP jest wykorzystanie systemu
transmisji SDH pracującego na systemie WDM. Tego typu rozwiązanie określa się
mianem systemów IP/SDH/WDM. W celu zagwarantowania możliwie jak naj-
większego poziomu jakości świadczenia usług często wykorzystuje się dodatkowo
system ATM (IP/ATM/SDH/WDM) lub coraz popularniejsze rozwiązanie MPLS
(ang. MultiProtocol Label Switching): IP/MPLS/SDH/WDM [6.26]. Ten stos
technik transmisyjnych i protokołów powoduje, że zarządzanie takimi systemami
staje się dość złożonym problemem. Najprostszym rozwiązaniem byłoby bezpo-
średnie ulokowanie protokołu IP na warstwie fizycznej, czyli na systemie WDM
(IP/WDM). Jednak takie rozwiązanie nie gwarantuje uzyskania odpowiedniej
6.4. Transmisja IP po WOM
187
jakości; w przypadku dużego ruchu mogą się pojawić problemy z gwarancją
realizacji usług na odpowiednim poziomie jakości.
W tym miejscu można się zastanowić, po co angażować duże środki do tworzenia
systemów opartych na komutacji pakietów, jeżeli szczytem ich możliwości jest
uzyskanie jakości zbliżonych do jakości systemów tradycyjnych z komutacją
łączy. Należy jednak pamiętać, że przewaga komutacji pakietów nad komutacją
łączy tkwi w możliwości świadczenia, w sposób bardziej elastyczny, usług
o różnym charakterze i różnych wymaganiach (np. transmisji sygnału mowy
i sygnału typu audio). Poza tym w przypadku wykorzystania dobrego mechanizmu
sterowania pakietami możemy spodziewać się, poza dobrą jakością, możliwie
najbliższego do optymalnego wykorzystania posiadanych zasobów sieci. Obecnie
bardzo popularnym rozwiązaniem wspomagającym transmisję typu IP jest techniką
MPLS. Technika transmisyjna wykorzystująca MPLS polega na dodawaniu do
pakietów IP etykiet, które pozwalają na właściwe kierowanie pakietów w po-
szczególnych węzłach sieci. W konsekwencji prowadzi to do tego, że różnym
strumieniom pakietów przypisuje się różne etykiety i w konsekwencji tworzy się
szereg odrębnych wirtualnych ścieżek prowadzących pakiety różnymi drogami
w zależności np. od potrzeb związanych ze zróżnicowanymi wymaganiami
dotyczącymi jakości obsługi. Sieci IPIMPLS mogą być realizowane na kilka
sposobów. Mogą to być sieci: IP po WDM, IP po kanale optycznym czy też IP po
SDH [6.27].
IP po WDM
W rozwiązaniu IP po WDM rutery IPIMPLS są połączone ze sobą w relacjach
punkt-punkt [6.27]. Na rysunku 6.26 pokazano rozwiązanie IP po WDM, w którym
IP
SOH
WOM
Węzeł A Węzeł B Węzeł C
I I
-- ,/ 1\ ,/ -
:/ , li ,
(] krotnica talowa
Rys. 6.26. Schemat I P
po WDM
188
Technika WOM w systemach telekomunikacyjnych
rutery są na sztywno, statycznie połączone ze sobą łączami w relacji punkt-punkt
wykorzystującymi technikę WDM. Dostęp do sieci MPLS jest realizowany za
pomocą techniki pakiet po SDH (ang. PoS - Packet over SDH) lub za pomocą
protokołu Gigabit Ethernet.
IP po kanale optycznym
W tym rozwiązaniu rutery IP/MPLS są połączone ze sobą za pomocą kanałów
optycznych (ang. OCh - Optical Channel) przenoszących ruch między węzłami
sieci [6.27] - pokazano to na rys. 6.27. W warstwie fizycznej przekierowania
przeprowadza się na drodze optycznej. Do realizacji tego wykorzystuje się zwykle
rekonfigurowalne przełącznice optyczne lub optyczne krotnice transferowe. Pozwala
to na właściwe ustawienie kanałów optycznych pomiędzy poszczególnymi węzłami
. .
SIeCI.
SOH
WOM
IP
Węzeł A Węzeł S Węzeł C
I I
-' / " /
X - X - X
- - .-
'r-/ " - - / \
element
X przekierowujący
sygnał
a krotnica falowa
Rys. 6.27. Schemat I P
po kanale optycznym
IP pO SDH
W tym rozwiązaniu płaszczyzna transportowa SDH jest wprowadzona pod
warstwę IP/MPLS [6.27]. Połączenia w warstwie optycznej są realizowane bądź
przez łącza WDM w relacjach punkt-punkt (rys. 6.28), bądź przez kanały optyczne
(rys. 6.29).
W rozwiązaniu IP po SDH pełna elastyczność sieci transportowej jest wprowadzona
pod warstwę IP/MPLS. Wykorzystuje się tu technikę elektrycznego zwielokrotnienia
TDM. W przypadku pokazanym na rys. 6.28 elastyczność rozwiązania zapewniają
przełącznice elektryczne, które połączone są ze sobą za pomocą łączy optycznych
typu punkt-punkt wykorzystujących technikę WDM. Z kolei, na rys. 6.29 pokazano
rozwiązanie dodatkowo wykorzystujące przekierowania na drodze optycznej.
6.4. Transmisja IP po WOM
189
SDH
WDM
IP
SDH
WDM
IP
Węzeł A Węzeł B Węzeł C
T l
f1 r, r r
X >< X
ł..J l..J l,J l:;::J
/ , / i--
-
l/ \ V \
[8] . . element
X przekierowujący
.. . sygnał
(] krotnica falowa
Rys. 6.28. Schemat I P
po SDH po WDM
rv1 X .......
t:::J
a
element
przekierowujący
sygnał
Węzeł A Węzeł B Węzeł C
T T
r"1 1"1 rl f1
X >< X
L,J [J lJ l::r
.... / /
X
X X
. . . .
... I--
... LI '" '-- ,
krotnica falowa
Rys. 6.29. Schemat I P
po SDH po kanale
optycznym
Powracając do techniki MPLS, ma ona dwie olbrzymie zalety. Pierwsza z nich to
dostarczenie sprawnego instrumentu dla inżynierii ruchu, a druga z nich to
naturalne dopasowanie się do techniki WDM, gdy etykietą staje się długość fali.
Technika MPl.lS wymaga istnienia odpowiednich tablic kierowania w węzłach
sieci, a także mechanizmów przesyłania informacji związanych z etykietami (czyli
odpowiedniej sygnalizacji).
Bardziej rozbudowaną wersją MPLS jest GMPLS (ang. Generalized MPLS), której
zadaniem jest: rozszerzenie stosowalności techniki MPLS na systemy optyczne
190
Technika WDM w systemach telekomunikacyjnych
wykorzystujące zwielokrotnienie TDM, rozszerzenie mechanizmów protekcji
i odtwarzania zasobów sieciowych, zapewnienie mechanizmów zwiększających
skalowalność i efektywność pracy systemów optotelekomunikacyjnych. Z punktu
widzenia warstwy optycznej najbardziej istotną rzeczą jest rozszerzenie pojęcia
etykiety, którymi stają się tu szczeliny czasowe, długości fali czy też konkretne
włókno optyczne. W systemach GMPLS zwiększono efektywność rutingu przez
tworzenie hierarchii ścieżek komutowanych etykietowo (ang. LSP - Label Switched
Path); co spowodowało możliwość tunelowania LSP [6.28]. Przydzielenie od-
powiednich etykiet oraz zestawienie ścieżek komutowanych etykietowo odbywa
się w ruterach lP. Ze względu na to, że informacja o wymaganiach LSP nie jest
wcześniej dostępna stosuje się algorytm on-line zamiast off-line. Konwencjonalne
podejście do rutingu opartego na LSP polega zwykle na niezależnym przekierowy-
waniu ruchu w każdej warstwie (osobne sterowanie długościami fali w warstwie
optycznej i sterowanie IP w warstwie IP/MPLS). Dla sieci optycznych mamy do
czynienia z odmianą MPLS, czyli techniką MPAS. W tym przypadku rolę etykiet
pełni konkretna długość fali. Przejście z techniki MPLS do techniki MPAS wymaga
pewnych dość gruntownych zmian w działaniu mechanizmu komutacji etykietowej.
Węzeł sieci
Warstwa
sterowania IP
Warstwa
danych
Odwzorowanie adresu IP
na etykietę MPLS
Warstwa
sterowania MPLS
Warstwa
danych
Odwzorowanie etykiety
MPLS na długość fali
..
Warstwa sterowania
sygnałem optycznym
.
Warstwa
danych
.
.
.
.
.
.
.
Pole Nagłówek Nagłówek
użytkowe IP etykiety
Rys. 6.30. Współpraca
poszczególnych warstw
-
-
6.4. Transmisja IP po WDM
191
Po pierwsze musi być ściśle określona relacja między wartościami etykiet a liczbą
długości fali. Należy pamiętać o ograniczeniach czysto technicznych odnoszących
się do etykiet-długości fali. Po drugie optyczna ścieżka komutowana etykietowo
(ang. OLSP - Optical Label Switched Path) musi być związana z parą konwenc-
jonalnych ścieżek komutowanych etykietowo. Wynika to z tego, że OLSP jest
realizowane dwukierunkowo, a LSP są jednokierunkowe. Te różnice mają poważny
wpływ na wymagania dotyczące protokołów sterowania [6.29].
Ważne jest, aby sterowanie poszczególnych warstw było ze sobą skoordynowane.
Na rysunku 6.30 pokazano przykład rozwiązania tego problemu.
W celu większej niezawodności i lepszego wykorzystania zasobów sieci niezbędne
okazuje się zintegrowanie rutingu. Przez zintegrowany mting rozumie się decyzje
dotyczące przekierowywania mchu wykonywane na podstawie wiedzy odnoszącej się
do sieci z wykorzystaniem informacji pochodzących z warstwy optycznej i IP/MPLS.
Teraz dominuje osobne traktowanie warstwy optycznej i warstwy IP/MPLS.
Sterowanie w warstwach może być ze sobą powiązane w różny sposób [6.28]:
l. Model partnerski, w którym sieci warstw są traktowane jako jedna, wspólnie
sterowana i zarządzana sieć (przełącznice optyczne są traktowane jako rutery).
2. Model nakładkowy, w którym wybór dróg, rozsyłanie informacji o budowie
sieci i sygnalizacja w sieci IP są niezależne od odpowiednich protokołów w sieci
optycznej.
3. Model międzydomenowy, w którym wybór dróg w sieciach odbywa się
oddzielnie, z tym, że informacje związane z wyborem dróg w jednej z sieci
przesyła się za pośrednictwem drugiej z sieci.
Ze sterowaniem na poziomie optycznym systemu WDM jest ściśle związany
proces konwersji długości fali. Obecnie, ze względów ekonomicznych, jeszcze nie
spotykamy się z powszechnym stosowaniem czysto optycznej konwersji długości
fali. Powszechnie wykorzystuje się tańsze konwertery optoelektroniczne.
Cechą sieci WDM jest ścisłe sprzężenie między rutingiem i wyborem długości fali.
/
Scieżka optyczna jest tworzona przez wybór ścieżki w fizycznych łączach między
punktem źródłowym i docelowym oraz rezerwację konkretnej długości fali. Przy
realizacji połączenia optycznego musi być rozwiązany tzw. problem rutingu
i przydzielania długości fali połączeniom występującym w sieci optycznej (ang.
RWA - Routing and Wavelength Assignment problem) [6.30]. W przypadku znanego,
ustalonego mtingu problem ten nosi nazwę problemu przydzielania długości fali (ang.
wavelength assignment problem). Problem RWA jest podstawowym problemem
związanym z kontrolą pracy systemu WDM. Wynika to z faktu, że działanie sieci
zależy nie tylko od elementów jej składowych, ale także jak jest kontrolowana
i sterowana. Celem RWA jest uzyskanie najlepszej pracy systemu w ramach
istniejących ograniczeń natury fizycznej. Problem RWA może mieć naturę statyczną
i dynamiczną. Pierwszy przypadek występuje w sytuacji stałego w długim przedziale
(czasu) ruchu w sieci. Drugi przypadek występuje w przypadku obsługi ruchu szybko
zmieniającego się w czasie. Gdy sieć musi reagować na zmieniający się ruch [6.30].
192
Technika WDM w systemach telekomunikacyjnych
Możemy wyróżnić sieci, w których nie przeprowadza się konwersji długości fali.
W takim przypadku ścieżka optyczna łącząca punkt źródłowy z docelowym
wykorzystuje tę samą długość fali. W przypadku, gdy w sieci stosuje się konwersję
długości fali (konwertery zlokalizowane są przy przełącznicach optycznych)
ścieżka optyczna łącząca punkt źródłowy z docelowym stanowi łańcuch ścieżek
optycznych pracujących na różnych długościach fali. Konwersję długości fali
możemy podzielić na konwersję pełną (ang. Jull conversion), ograniczoną (limited
conversion). W pierwszej z nich wejściowe długości fali mogą być konwertowane
na dowolne długości fali. W drugim przypadku każda z wejściowych długości fali
może być konwertowana na długość fali z ściśle określonego przedziału. Wielkość
tego przedziału jest określana jako stopień konwersji (ang. degree oj conversion).
Specjalnym przypadkiem jest stała konwersja długości fali (ang. Jixed conversion);
gdzie każda długość fali jest konwertowana na ściśle określoną długość fali. Pełna
konwersja długości fali usuwa problem przydzielania długości fali i pozostaje
klasyczny problem związany z rutingiem, czyli znalezieniem właściwej ścieżki dla
każdego połączenia w sieci. W przypadku ograniczonej konwersji problem RW A
staje się bardziej złożony niż w przypadku braku konwersji. Każda konwersja
długości fali zwiększa możliwość wyboru sposobu rutingu dla danej ścieżki
optycznej oraz zwiększa efektywność gospodarowania zasobami złożonymi
z długości fali. Ze względów ekonomicznych możemy się również spotkać z tzw.
rzadką konwersja (ang. sparse conversion). W tym przypadku konwertery
umieszczone są tylko przy niektórych przełącznicach optycznych.
Bardzo ważny jest optymalny wybór optycznego rutingu (czyli wybór szlaku, po
którym ma być transmitowany sygnał optyczny). Każdy optyczny ruting powinien
być wybierany na podstawie tzw. strategii najkrótszego rutingu najmniejszego
obciążenia (ang. least loaded shortest routing policy). Zakłada się w niej, że
obciążenie ( i-tego łącza optycznego jest stosunkiem liczby zarezerwowanych
długości fali w i-tym łączu między sąsiednimi węzłami sieci do całkowitej liczby
długości fali w i-tym łączu optycznym. Najkrótszy ruting jest określony tak, że
suma obciążeń (po wszystkich łączach jest najmniej sza [6.31].
Po określeniu rutingu węzeł źródłowy wysyła wiadomość Path zgodnie z wybranym
rutingiem do węzła docelowego. Wiadomość ta próbuje ustawić ścieżkę optyczną
w każdym węźle źródłowym i tranzytowym; po których jest przenoszony zestaw
dostępnych etykiet, tj. etykiet, które nie są zarezerwowane na wszystkich łączach
zlokalizowanych między węzłem źródłowym a tranzytowym. Taki zestaw etykiet
nosi nazwę AND. Węzeł źródłowy wysyła zestaw AND, który jest zestawem
dostępnych etykiet jego wychodzących łączy do następnego łączącego się z nim
węzła. W węźle tranzytowym jest tworzony nowy zestaw AND i musi w nim być
przeprowadzona konwersja długości fali. Kiedy konwersja długości fali jest
wykonana zestaw AND jest transmitowany do następnego łączącego się z nim,
w wybranym rutingu, węzła. Jeżeli taka konwersja jest niemożliwa, to wymaganie
dla zestawienia ścieżek optycznych jest usuwane. Na rysunku 6.31 pokazano
przykład zastosowania opisywanego mechanizmu [6.31 J.
6.4. Transmisja IP po WDM
193
Węzeł
źródłowy
O
Łącze A
Węzeł
tranzytowy 1
O
I Konwerter A I
Węzeł
tranzytowy 2
Łącze B O
I Konwerter A I
Węzeł
docelowy
Łącze C O
Przypadek 1
Al Al A3 A4
l O 1 1
Al Al A3 A4
O O 1 1
At Al A3 A4
O O l O
Wybrane A: A3- A 3- A 3
Przypadek 2
Konwersja
At Al A3 A4 Al A 2 A3 A4 Al Al AJ A4 Wybrane A: A3- A 3- A ]
1011 0011 1000
Rys. 6.31. Przebieg mechanizmu kierowania sygnału opartego na planie AND
W pierwszym przypadku zestaw dostępnych etykiet w łączu A jest (Al, A3, A4).
Z kolei zestaw dostępnych etykiet w łączach A i B jest następujący (A 3 , A 4 ) dlatego,
że Al nie jest dostępna w łączu B. Z kolei w łączu C nie jest dostępne A4. W ten
sposób zestaw dostępnych etykiet, który przenosi wiadomość Path od węzła
źródłowego do docelowego zawiera tylko A3' W tym przypadku nie jest wymagana
konwersja długości fali.
W drugim przypadku zestaw dostępnych etykiet w łączach A i B jest (A 3 , A4)'
Z kolei tylko Al jest dostępna w łączu C. Dlatego też w węźle 2 następuje
konwersja długości fali; albo A3 na Al albo A4 na Al'
W przedstawionym przykładzie konwersja długość fali jest przeprowadzana tylko
w określonym węźle tranzytowym i tylko, gdy zestaw etykiet jest pusty. W innym
rozwiązaniu zwanym planem ALL to węzeł docelowy decyduje, w którym węźle
tranzytowym jest przeprowadzana konwersja długości fali. Jest to poprzedzone
analizą dostępnych etykiet i możliwości związanych z konwersją długości fali
w każdym z węzłów. W tym rozwiązaniu wiadomość Path zawiera informacje
o dostępnych etykietach i konwerterach długości fali na wybranym rutingu.
Wiadomość Path próbuje ustawić ścieżkę optyczną między źródłem a węzłem
tranzytowym, po którym jest przenoszony zestaw dostępnych etykiet wszystkich
łączy na danym rutingu. Zestaw etykiet jest określany jako zestaw ALL. Węzeł
docelowy odbiera zestaw etykiet ALL i następuje podjęcie decyzji, które etykiety
powinny być użyte.
Na rysunku 6.32 pokazano przykład wykorzystania planu ALL [6.31]. Wiadomość
Path przenosi informacje dotyczące dostępności długości fali i konwerterów na
wybranym rutingu. Konwerter długości fali jest dostępny w węźle tranzytowym l,
ale nie w drugim. Ze względu na brak możliwości przeprowadzenia konwersji
w węźle, mimo że taka potrzeba istnieje, plan AND nie jest możliwy do
przeprowadzenia. Z kolei możliwy jest do przeprowadzenia plan ALL. W planie
194
Technika WDM w systemach telekomunikacyjnych
Węzeł
źródłowy
Węzeł
tranzytowy 1
Węzeł
tranzytowy 2
Węzeł
docelowy
Łącze A
Łącze B
Łącze C
I Konwerter A I
.- - - - - - - --
.
· Konwerter A .
l. _ _ _ _ _ _ _ _ .
Łącze A
Łącze B
Łącze C
Al A2 A3 A4
1 O l O
Al A2 A3 A4
l O l O
O l 1 l
Al A 2
1 O
O l
1 O
A3 A4
l O
1 1
O l
Dostępny konwerter
w węźle tranzytowym 1
1
1
Dostępny konwerter
w węźle tranzytowym 2
o
Wybrane A: AI-A 4 -A 4
Rys. 6.32. Przebieg mechanizmu kierowania sygnału opartego na planie ALL
ALL możemy ustawić ścieżkę optyczną ze względu na obecność konwertera
w węźle tranzytowym l.
W tym miejscu warto przyjrzeć się kluczowemu elementowi dla tego typu
rozwiązań transmisyjnych, czyli optycznemu ruterowi pakietów. W ruterze tego
typu wyróżniamy następujące bloki funkcjonalne [6.29]:
l. Multiplekser i demultiplekser kanałów optycznych (występujące w sieci długości
fali) .
2. Rozgałęziacz optyczny; zapewniający możliwość przesyłania kopi pakietów do
elementów sterujących oraz elementu usuwającego etykietę.
3. Element usuwający etykietę.
4. Element tworzący (zapisujący) nową etykietę w pakiecie.
5. Konwerter długości fali umożliwiający przenoszenie pakietu na różnych
długościach fali.
6. Bufor.
7. Element sterujący działanie: elementu tworzącego etykietę., konwertera długości
fali i bufora.
Na rysnku 6.33 przedstawiono schemat funkcjonalny optycznego rutera pakietów
[6.29]. Dany pakiet dociera do rutera na długości fali Al. Pakiet jest złożony
z nagłówka i pola użytkowego. Demultiplekser wydziela z sygnału wielofalowego
konkretny kanał, tj. długość fali. W elemencie rozgałęziającym sygnał jest
6.4. Transmisja IP po WDM
195
Mux
l
Demux 1 2 3 4 5 1... 2
AJ
... .
An .
Ił-
.
An
Element sterujący
A
Rys. 6.33. Bloki funkcjonalne optycznego rutera pakietów; 1 - rozgałęziacz optyczny,
2 - element usuwający etykietę, 3 - element tworzący nową etykietę, 4 - konwerter
długości fali, 5 - bufor
dzielony i jego część jest przesyłana do elementu sterującego, a cześć przechodzi
do elementu usuwającego etykietę. Element usuwający etykietę wymazuje nagłówek
z pakietu. W kolejnym bloku, tj. elemencie tworzącym nową etykietę następuje
zapisanie nowego nagłówka. Nagłówek zawiera adres IP albo właściwą etykietę.
Ten blok jest kontrolowany przez element sterujący. Zawiera on informację
dotyczącą wymiany etykiety. Element sterujący kontroluje również pracą konwertera
długości fali powodując zmianę przesyłania pakietu z Al na A2' W kolejnym
elemencie, tj. buforze następuje przytrzymanie pakietu przed wysłaniem go do
multipleksera. Element ten jest również kontrolowany przez element sterujący.
Dzięki multiplekserowi pakiet jest wysyłany do danego światłowodu.
Teraz kilka słów o mechanizmach zabezpieczających (protekcyjnych) w tego typu
sieciach.
Na rysunku 6.34a pokazano sieć złożoną z 5 węzłów [6.29]. Interesujące nas dane
są transmitowane z węzła źródłowego A do docelowego F. Przy poprawnej pracy
sieci informacja jest przenoszona przez węzły tranzytowe B i D. Etykieta 12 i 23
są wykorzystywane dla ścieżki komutowanej etykietowo od węzła A do węzła D,
pozostałe etykiety są przeznaczone do tworzenia zapasowej ścieżki na wypadek
uszkodzeń sieci.
W momencie uszkodzenia łącza między węzłem B i D (lub uszkodzenia samego
węzła D) oraz po odbiorze informacji o tym uszkodzeniu w węźle B następuje
wykorzystanie zapasowej ścieżki przez węzeł C (rys. 6.34b). Wykorzystywana jest
w tym momencie etykieta 24. Ruter w węźle B jest tak ustawiany, by nastąpiło
wysłanie etykiety 23 za etykietą 24. Z kolei w ruterze umieszczonym w węźle C
dochodzi do zamiany etykiety 24 na 45. W węźle E etykieta 13 jest usuwana i do
węzła D dociera tylko etykieta 67. W ten sposób następuje odtworzenie połączenia
od węzła A do węzła D.
Można tu powiązać etykiety z długościami fali i rozpatrzyć następujące dwa
przypadki. Pierwszy dotyczy zabezpieczenia ścieżki komutowanej etykietowo
(ang. protection oj label switched path), a drugi jest związany z zabezpieczeniem
ścieżki komutowanej optycznie [6.29]. W jednym i drugim rozwiązaniu kluczową
rolę odgrywają tzw. tablice przełącznic optycznych (ang. cross-connect table)
196
Technika WDM w systemach telekomunikacyjnych
a
23
45
b
2345
Rys. 6.34. Mechanizm
protekcyjny z wykorzystaniem
zapasowego rutingu
23
24
umieszczone w węzłach sieci. Dla wcześniej omawianego przykładu zakładamy,
że dysponujemy w węźle B przełącznicą z konwerterem długości fali.
Dla przypadku zabezpieczenia ścieżki komutowanej etykietowo (rys. 6.35a) ta
tablica wygląda następująco [6.29]:
a
12
Al
. Wejście Wyjście 1
Wyjście 2
23
Al
...
.....
A2 24
, r
b
A3
. Wejście Wyjście 1
Wyjście 2
Al
...
...
,Ir
Rys. 6.35. Mechanizm
zabezpieczający w węźle 8
wykorzystujący MPLS i warstwę
optyczną
A2
-
6.4. Transmisja IP po WDM
197
Wejście Wyjście 1 Wyjście 2
12: ,1,1 23: ,1,1 24: A2
Dla przypadku zabezpieczenia ścieżki komutowanej optycznie (rys. 6.35b) tablica
ma postać [6.29]:
Wejście Wyjście 1 Wyjście 2
A3 A1 A2
W pierwszym przypadku na wejściu pojawia się etykieta 12 i jest ona od-
wzorowywana na etykietę 23. Sygnał związany z etykietą 12 i 23 jest przesyłany
na fali o długości Al.
Dla sytuacji tworzenia zapasowej ścieżki etykieta 12 jest odwzorowywana na
etykietę 24 i dalej następuje przełączenie na długość fali A2 (wyjście 2).
W drugim przypadku przychodzący sygnał o długości fali A3 jest konwertowany
na Al i kierowany do wyjścia l oraz na długość A2 i jest kierowany do wyjścia 2.
Na zakończenie warto przedstawić dość ciekawy pomysł oparty na technice rutingu
szczelin optycznych (ang. photonic slot routing) [6.25]. Przykład implementacji
rutingu szczelin optycznych w sposób schematyczny pokazano na rys. 6.36. W tym
rozwiązaniu dane, całe pasmo optyczne jest przydzielane poszczególnym szczelinom
czasowym. Dana szczelina składa się ze strumieni pakietów o różnych długościach
fali; sygnał na poszczególnych długościach fali w pojedynczej szczelinie czasowej
tworzy podszczelinę (ang. optical subslot). W węźle sieci do pustej szczeliny
wprowadzane są pakiety w podszczelinach na różnych długościach fali. Węzły
tranzytowe mogą wykorzystywać lub nie wolne podszczeliny. Kluczową sprawą
An
.
. .
.
. .
. .
. .
. .
. .
. .
.
. .
Pakiet na A2
-------------------..-
Szczelina
optyczna
Al
------------ ------..-
3
. .
. .
. .
. .
. .
. .
. .
. .
. .
..
..
.
.rl 1
. .
. .
. .
. .
. .
. .
. .
. .
. .
. .
. .
. .
.
. .
. .
. .
. .
. .
. .
. .
. .
. .
. .
. .
. .
.
2
------ -------..-
Rys. 6.36. Przykład implementacji rutingu szczelin optycznych
198
Technika WDM w systemach telekomunikacyjnych
w tym rozwiązaniu jest to, że szczeliny optyczne są usuwane w określonych
węzłach docelowym. Dlatego też ta technika jest określana jako destination-based
slot assembly, co można określić jako łączenie szczelin na podstawie tego samego
węzła docelowego. Korzyścią rutingu szczelin optycznych jest brak konieczności
przeprowadzania przełączania wybranych długości fali. Można tu zastosować
proste elementy przełączające sygnał optyczny. Szybkość przełączania szczeliny
zależy od ich długości. Jednolity ruting szczelin optycznych wymaga sterowania
kanału, które dostarcza informacji innym węzłom o statusie szczeliny, które
podszczeliny są puste i na temat węzła przeznaczenia szczeliny.
Cechą charakterystyczną techniki rutingu szczelin optycznych jest możliwość
łączenia podszczelin oraz kopiowania szczelin. Łączenie podszczelin polega na
tym, że szczeliny docierające w tym samym czasie do różnych portów wejściowych
węzła mogą być przełączone do tego samego portu wyjściowego; co prowadzi do
ich nałożenia na siebie i stworzenia jednej szczeliny. Taka sytuacja może się
zdarzyć tylko, gdy podszczeliny są zgodne, tzn. na danej długości fali tylko jedna
podszczelina może zawierać pakiet, pozostałe muszą być puste. Kopiowanie
szczelin polega na tym, że szczelina docierająca do danego portu wejściowego
węzła może być skopiowana i wysłana do różnych portów wyjściowych. Ta
procedura pozwala na realizację transmisji rozsiewczej oraz na wspólną transmisję
pakietów kierowanych od różnym węzłów przeznaczenia. W wielu przypadkach te
dwa mechanizmy pozwalają na polepszenie uzyskiwanej jakości pracy sieci
i optymalizację uzyskiwanej przepustowości [6.25].
Literatura
[6.1] A. Banerjee: Wavelength-division-multiplexed passive optical network (WDM-PON) technologies
Jor broadband access: a review. Journal Of Optical Networking, vol. 4, nr II, str. 737-758, 2005
[6.2] N. 1. Frigo, C. F. Lam: WDM Overlay oJ APON with EPON - a carrier's perspective. Materiały
A T &T Labs - Research, rouper.ieee.org/groups/802/3/efmJpublic/sepO I /lam_l_090 I.pdf
[6.3] Zalecenie ITU-T G. 983.3: A broadband optical access system with increased service capability
by wavelength allocation, 200 l
[6.4] B. R. Eichenbaum, S. K. Das: Economics oj coarse WDM compared with dense WDM Jor
wavelength-addressable PON access architectures, www.iee.org/OnComms/pn/photonics/do-
wnload.cfm?ID = 6CFFFCA3-78A4-4A95-AC724A 759CE35B 12
[6.5] J. M. Senior i inni: Developments in Wavelength Division Mu Iti p le access networking. IEEE
Communications Magazine, vol. 36,nr ] 2, str. 28-36, 1998
[6.6] G. Maier i inni: Multistage WDM passive access networks: design and cost issues. ICC'99, IEEE
International Conference vol. 3, str. 1707-1713, 1999
[6.7] G. TalIi, P. D. Towmsend: Feasibility demonstration oJ 100km Reach DWDM SuperPON with
upstream bit rates oJ 2,5Gb/s and 10Gb/s. Proceedings of OFC/NFOEC 2005, Optical Fiber
Communication Conference/National Fiber Optic Engineers Conference, Anaheim (Stany
Zjednoczone) 2005
[6.8] Introduction to DWDM Jor metropolitan netvForks. Materiały firmy Cisco, 2000
[6.9] B. Mukherjee: WDM optical communication networks: progress and challenges. IEEE Journal
On Selected Areas in Communications, vol. 18, nr lO str. 1810-1824, 2000
Literatura
199
[6.10] I. Kaminov, T. Li: Optical fiber Telecommunications IVB. Systems and impairments. Academic
Press, San Diego (Stany Zjednoczone) 2002
[6.11] The enlightened Storage Area Network. Materiały firmy Ciena, 2002
[6.12] Fibre Channel extension over metropolitan DWDM. Materiały firmy Cisco, 2002
[6.13] Extending DWDM Jor regional applications. Materiały firmy Photonic Systems Inc., 2005
[6.14] Cisco ONS 15808 long-haullextended long-haul DWDM transport platform. Materiały firmy
Cisco, 2001
[6.15] I. Kaminov, T. Li: Optical Jiber Telecommunications NA. Components. Academic Press, San
Diego (Stany Zjednoczone) 2002
[6.16] D. O. Williams: An Oversimplified Overview oj Undersea Cable Systems. http://ni-
cewww.cern.ch/-- davidw/public/SubCables.doc , 1997
[6.17] An update on Transpacifie cables. www.apnic.net/meetings/ 10/programme/presentations/pacific-
_cable.ppt
[6.18] P. R. Trischitta W. C. Marra: Applying WDM technology to undersea cable networks. IEEE
Communications magazine vol. 36, no. 2, pp. 62-66, 1998
[6.19] Tera 10: repeatered submarine system. Materiały firmy Alcatel, http://www.alcatel.com/sub-
marine/products/oal/tera 1 O.htm , 2006
[6.20] Alcatel Unrepeatered Submarine Systems. Materiały firmy Alcatel, http://www.alcatel.com/do-
ctypes/opgproductbrochure/pdf/19097 _Unrepeat_Sub_pb.pdf , 2005
[6.21] http://www.alcatel.com/submarine/refs/
[6.22] Raport końcowy z projektu IST-1999-10626: ATLAS, 2001
[6.23] W. van Parys i inni: Evolution towards transparent optical networks using selective wavelength
regeneration and conversion, http://www.comsof.be/docs/NFOEC2oo1.pdf . 2001
[6.24] Zalecenie ITU-T G. 975.1: Forward error correction Jor high bit-rate DWDM submarine
systems, 2004
[6.25] A. Gumaste, T. Antony: DWDM network designs and engineering solutions. Cisco Press.
Indianapolis (Stany Zjednoczone) 2002
[6.26] K. Vinodkrishnan i inni: Survivability in IP over WDM networks,
www-static.cc.gatech.eduJ -- srini/papers/jhsnO l.pdf
[6.27] M. K6hn i inni: Comparison oJ IPIWDM transport network architectures Jor dynamie data
traffic. Proceedings of ECOC 2006, 32 European Conference on Networks & Optica]
Communications, Cannes (Francja) 2006
[6.28] A. Jajszczyk: Ewolucja sieci stacjonarnych. Przegląd Telekomunikacyjny i Wiadomości
Telekomunikacyjne, nr 1, 16-20, 200 l
[6.29] U. Black: Optical Network. Third generation transport systems. Prentice Hall PTR, New Jersey
(Stany Zjednoczone) 2002
[6.30] S. S. Dixit: IP over WDM. Building the next-generation optical Internet. Wiley-Interscience,
New Jersey (Stany Zjednoczone) 2003
[6.31] N. Yamanaka i inni: GMPLS technologies. Broadband backbone network and systems. CRC
Press Taylor&Francis. Boca Raton (Stany Zjednoczone) 2006
Rozdział
Nadużycia w systemach WDM
7.1. Rodzaje nadużyć
Nadużycia w sieciach optycznych, zwane również atakami, dzielą się na bierne
i aktywne. Do nadużyć biernych można zaliczyć działania mające na celu
nieautoryzowany dostęp do przesyłanych informacji oraz nieautoryzowaną analizę
przenoszonego ruchu. Do drugiej grupy zaliczamy działania mające na celu:
doprowadzenie do pogorszenia poziomu jakości świadczonej usługi, fizyczne
przerwanie świadczenia usługi oraz podszywanie się pod coś lub pod kogoś (ang.
spoofing). Z kolei biorąc pod uwagę praktyczną realizację nadużyć, można
wyróżnić trzy rodzaje ataków: nieautoryzowany dostęp (ang. eavesdropping),
zagłuszanie w paśmie (ang. in-band jamming) i zagłuszanie poza pasmem (ang.
out-oj-band jamming) [7.1].
7.2. Nieautoryzowany dostęp
Nieautoryzowany dostęp może służyć dwóm celom; pierwszy z nich to podsłuch,
a drugi to nielegalna analiza ruchu telekomunikacyjnego. Nieautoryzowany dostęp
może być przeprowadzony z wykorzystaniem nielegalnego podłączenia się do
włókna światłowodowego lub z wykorzystaniem istniejących w sieci elementów
rozgałęziających, np. wyjść monitorujących. Nieautoryzowany dostęp może być
wykonany za pomocą: zjawiska przesłuchu międzykanałowego, zjawiska nielinio-
wego (np. konwersji długości fali z wykorzystaniem zjawiska mieszania cztero-
falowego), czy też tzw. tappingu polegającego na wyprowadzeniu części sygnału
optycznego z włókna [7.2].
Przesłuch międzykanałowy
Zjawisko to występuje w elementach, w których dokonuje się jakiejkolwiek filtracji
sygnału wielofalowego. Ma to miejsce np. w odniesieniu do krotnic falowych,
przełącznic optycznych czy też optycznych krotnic transferowych (rys. 7.1).
7.2. Nieautoryzowany dostęp
201
a
b
Al A2
n _
- -
. .
. .
B :
. .
. .
: .;.Przenik
. : . \
. ł I I
- .
. .
. .
: :' ,
. , . \
JD ; j
I I . )
_1.......- .
. .
. .
. .
. .
. .
. .
. .
Al A 2
i'
I ,
t ,
, .
I ,
I ,
, ,
, ,
, ,
I I
, I
I .
1.1-_
i Przenik
,'. . \
" .
, . .
I. .
--
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
....
lI',",
I . .
I . '
: .
-ITL :::
: . :
I' I
. . .
..........,.--
"
t '
t '
. '
I ·
. I
I I
I .
A : :
, I
---1. .L..l_
"
V
/"-.
/
Al A 2
Przełącznik
optyczny
Demultiplekser
Rys. 7.1. Przesłuch międzykanałowy: a) multiplekser, b) przełącznica optyczna
Zjawisko nieliniowe
W tym przypadku wykorzystuje się konwersję długości fali realizowaną za pomocą
zjawiska mieszania czterofalowego (rys. 7.2). W tym rozwiązaniu wprowadza się
na innej długości fali niż sygnał użytkowy tzw. impulsy sondujące (zsyn-
chronizowane w czasie ze szczeliną czasową, z której chcemy wyprowadzić
informacje). W wyniku nieliniowego oddziaływania sygnału sondującego z syg-
nałem użytkowym tworzą się produkty mieszania czterofalowego na częstotliwoś-
ciach 2fl - f2 i 2f2 - fI (gdzie Ił i h to częstotliwości sygnału użytkowego i sygnału
sondującego). Sygnał sondujący jest wprowadzany za pomocą sprzęgacza wej-
ściowego. Wyprowadzany sprzęgaczem wyjściowym sygnał trafia na filtr optyczny
przepuszczający tylko produkty mieszania czterofalowego. Taka konstrukcja pozwala
na selektywny dostęp do określonych szczelin czasowych transmitowanego sygnału
optycznego w systemach wykorzystujących optyczne zwielokrotnienie TDM [7.3].
Dane
1 2 3 1 2 3
Światłowód
f 1
,.- - ,.- .- - -
-
..
f 2 D
t
Sygnał sondujący
Sprzęgacz
2f 1 - f 2 lub 2f 2 - f 1
1 1
t
D
.
t
Wyprowadzony
sygnał
Filtr
optyczny
Rys. 7.2. Nieautoryzowany dostęp z wykorzystaniem zjawiska mieszania czterofalowego
Tapping
Nieautoryzowane wyprowadzanie części sygnału optycznego ze światłowodu
(czyli tapping) można wykonać poprzez wprowadzenie do toru światłowodowego
urządzenia lub elementu wyprowadzającego w sposób kontrolowany część sygnału
202
Nadużycia w systemach WDM
optycznego. Przykładem takiego elementu może być np. sprzęgacz. Takie
rozwiązanie wymaga jednak wcześniejszego przecięcia włókna, co jest proste do
zlokalizowania przez prosty system monitorujący.
Na rysunku 7.3 pokazano sposób wykonania nieautoryzowanego dostępu do
sygnału kierowanego do i z optycznej jednostki sieciowej GNU [7.4].
.
Wyprowadzony
sygnał
Sprzęgacz
Sprzęgacz
Wyprowadzony
sygnał
.
Jednostka GNU
Rys. 7.3. Wyprowadzanie sygnału optycznego
za pomocą wtrąconych do linii sprzęgaczy
optycznych
Innym rozwiązaniem jest wprowadzanie zaburzenia kształtu światłowodu za
pomocą szeregu zgięć. Możemy tu wyróżnić makrozgięcia (gdy promień zgięcia
jest większy od 1 mm) i mikrozgięcia (gdy promień zgięcia jest mniejszy od
] mm). Na rysunku 7.4 pokazano przykład realizacji urządzenia umożliwiąjącego
wyprowadzanie światła ze światłowodu za pomocą struktury wywołującej zgięcia
Wyprowadzony
syq ał
Detektor
,------------------- -,
I I
: I
-------- --- -- -'
a
-.....
Sygnał optyczny
Sygnał optyczny
Siatka
.
Swiatłowód
Rys. 7.4. Realizacja wyprowadzania sygnału optycznego ze światłowodu
z wykorzystaniem struktury wywołującej zgięcia światłowodu (siatka)
7.2. Nieautoryzowany dostęp
203
światłowodu. W wyniku występujących zgięć światło jest wyprowadzane na
zewnątrz, gdzie po przejściu przez soczewkę trafia na wejście foto odbiornika [7.5].
Sygnał optyczny można także wyprowadzić z włókna optycznego poprzez
pojedyncze zgięcie światłowodu powodujące wyciek mocy na samym jego zgięciu
(rys. 7.5). Poziom wyprowadzanego sygnału zależy od promienia zgięcia.
VVyprowadzony Płaszcz
sygnał
-- - -- - - -- - -- -- ...-:r- - - n__ U nn - - - - - u-u - - u o o n_______ - nn u_ - u_ - - - - nn_n - - --o Rdzeń
..."" Sygnał optyczny
jJ:/ Płaszcz
Rys. 7.5. Wyprowadzanie sygnału optycznego za pomocą
pojedynczego zgięcia
Kolejnym rozwiązaniem jest wykorzystanie sprzężenia zachodzącego między
dwoma połączonymi ze sobą światłowodami (ang. cladding-to-cladding coupling).
Jest to realizowane przez odpowiednie spolerowanie płaszczy światłowodów
bardzo blisko ich rdzenia (7.6).
Dołączony światłowód
Sygnał optyczny - - ------------...====:.:--------_______..
Wyprowadzony sygnał
...---------
---.-..........
--
Światłowód roboczy
Rys. 7.6. Metoda wyprowadzania światła za pomocą sprzężenia między światłowodami
Kolejna metoda opiera się na utworzeniu w płaszczu światłowodu V rowka (ang.
V-groove). Na rysunku 7.7 pokazano przekrój włókna w którym dokonano
wycięcia rowka. W obszarze rowka następuje odbicie propagującego się we
włóknie sygnału i jego wyprowadzenie na zewnątrz [7.6].
Innym sposobem na realizację tappingu jest wykorzystanie efektu akustooptycznego
(rys. 7.8). Wytworzona za pomocą przetwornika akustycznego fala akustyczna
powoduje ugięcie propagującej się we włóknie fali światła. U gięta fala jest
wyprowadzana na zewnątrz poprzez kryształ granatu itrowo aluminiowego (ang.
y AG - Yttrium Aluminum Garnet) [7.7].
204
Nadużycia w systemach WDM
Płaszcz
Sygnał optyczny
Odbicie światła na V rowku
Sygnał optyczny
Rdzeń
Wyprowadzony
sygnał
Płaszcz
Rys. 7.7. Wyprowadzenie
światła z włókna za pomocą
V rowka
Przetwornik akustyczny
4 GHz ZnO
#
#
#
#
#
#
#
#
#
#
#
#
#
#
#
#
#
#
#
#
#
#
--.
Wyprowadzony
sygnał optyczny
- - - - - - - . . - . - - - - . --.---.-.- --.-.-.- -- -- - - - - - . . . . - - - . - . . - . - . . . - - - - - . - .. Światłowód
- ."' ." . .'. .... . '.
. ". "'. ." . ".". .
. . . .:...... .". ." .
. . ...... ..... ... ... .. ... .. ... ........ Szklana płytka
", ;',1,".:-
Podłoże
Rys. 7.8. Metoda wykorzystująca
efekt akustooptyczny
-"",;'..,;',,:..: "...;;,': " ";" i,', ","f: .. :.........:.:....... .
W tabeli 7.1 porównano przedstawione metody tappingu, przy porównaniu
uwzględniono: złożoność konstrukcyjną, możliwość wykrycia danej metody
podsłuchu przez system zarządzania siecią i koszt realizacji podsłuchu za pomocą
danej metody.
Tabela 7.1. Porównane metod tappingu
Metoda Złożoność Wykrywanie Koszt
Użycie sprzęgacza Mała Łatwe Niski
Mikrozgięcia/Makrozgięcia Mała Trudne Niski
Zgięcie włókna Mała Trudne Niski
,
Sprzężenie między włóknami Duża Trudne Sredni
V rowki Duża Trudne Wysoki
Efekt akustooptyczny Duża Trudne Wysoki
7.4. Zagłuszanie
205
7.3. Podszywanie się
W przypadku warstwy fizycznej podszywanie się dotyczy przede wszystkim
wyprowadzenie danego kanału będącego szczeliną czasową lub długością fali
i zastąpienie go innym sygnałem. Najprościej można to przeprowadzić za pomocą
elementu realizującego funkcję podobną do tej, którą się wykorzystuje w optycznych
krotnicach transferowych (rys. 7.9).
Przestrajalny filtr
optyczny
Optyczny
sygnał wejściowy
A1, A2, A3,..., An
A1, A3'"'' An
Optyczny
sygnał wyjściowy
A1, A2, A3,"" An
Odbiornik
Przestrajalny
nadajnik
Rys. 7.9. Wyprowadzenie i wprowadzenie sygnałów o tej samej długości fali
7.4. Zagłuszanie
7.4.1. Zagłuszanie w paśmie
Jak już wcześnie wspomniano możemy wyróżnić zagłuszanie w paśmie i poza
pasmem. Zagłuszanie w paśmie polega na nałożeniu na sygnał użytkowy sygnału
zakłócającego o takiej samej długości fali jak sygnał użytkowy. W wyniku
nałożenia się tych dwóch sygnałów dochodzi do spadku jakości transmisji. Sygnał
zakłócający można wprowadzić np. przez sprzęgacz.
Innym sposobem jest wykorzystanie elementu, w którym występuje przesłuch
międzykanałowy. Jednak ze względu na to, że poziom przesłuchu jest zwykle
bardzo mały efektywne zagłuszanie w tym przypadku wymaga wykorzystania
sygnału zakłócającego o bardzo wysokim poziomie mocy optycznej.
W pracy [7.8] przeprowadzono analizę stopnia zakłócenia kanału użytecznego przy
różnych przepływnościach kanału zagłuszającego. Badania wykonano dla trzech
wartości mocy optycznej w kanale zagłuszającym (-20 dBm, -10 dBm, O dBm)
i dla trzech przepływności, tj. dla 622 Mbit/s (STM-4), 2,5 Gbit/s (STM-16)
i 10 Gbit/s (STM-64). Moc optyczna sygnału użytecznego była równa O dBm,
a jego przepływność wynosiła 2,5 Gbit/s. Okazuje się, że najsilniejsze pogorszenie
jakości transmisji występuje, gdy sygnał zagłuszający ma taką samą lub mniejszą
przepływność niż sygnał zakłócany. ·
206
Nadużycia w systemach WDM
Q [dB]
20
18
16
14
12
10
8
6
- 20 - 10 O
Moc sygnału zagłuszającego/moc sygnału użytecznego
Rys. 7.10. Wpływ przepływności kanału pasożytniczego na parametr Q kanału
użytecznego [7.8]
-....-..--
--,
......
......
......
......
......
...
-+- STM - 4
-+- STM - 16
u"'_ STM - 64
......
...
.........
......
7.4.2. Zagłuszanie poza pasmem
Zagłuszanie poza pasmem polega na oddziaływaniu na sygnał lub sygnały użytkowe
sygnałem zakłócającym o innej niż on (czy też one) długości fali i mocy zwykle
większej niż moce sygnałów użytkowych. Sygnał zakłócający można tu, podobnie
jak w poprzednim przypadku, wprowadzić np. przez sprzęgacz. Do zakłócania
sygnałów użytkowych wykorzystuje się zjawisko mieszania czterofalowego lub
rozpraszania Ramana. W przypadku rozpraszania Ramana sygnał zakłócający
powinien być zlokalizowany na długości fali większej niż sygnały użytkowe
(najsilniejsze oddziaływanie zjawiska rozpraszania Ramana ma miejsce przy
odległości wynoszącej ok. 100 nm). Jeśli chodzi o mieszanie czterofalowe to w celu
realizacji zagłuszania należy dodatkowy, a najlepiej kilka dodatkowych kanałów,
umieścić możliwie naj bliżej kanału użytkowego. Dodatkowe kanały powinny być tak
ustawione by odległość między kanałami użytkowymi i zakłócającymi była równa.
Bardzo często do tego typu ataku wykorzystuje się pracę wzmacniaczy optycznych
[7.9]. W tym celu sygnał zakłócający jest wprowadzany do wzmacniacza optycznego
wraz sygnałami użytecznymi. Możemy tu wyróżnić: atak sygnałem o wysokim
poziomie mocy (ang. HSP - High Signal Power attack), atak szumem o wysokim
poziomie mocy (ang. HNP - High Noise Power attack) i atak sygnałem o niskim
poziomie mocy (ang. LSP - Low Signal Power attack).
Pierwsze dwa typy ataków określa się często jako ataki polegające na wykorzystaniu
tzw. współzawodnictwa wzmocnieniowego (ang. gain competition attack) [7.10].
W przypadku ataku typu HSP (rys. 7.11) sygnał zakłócający powinien mieć
większy poziom mocy optycznej niż sygnały użytkowe i powinien być nadawany
na długości fali spoza wykorzystywanego w systemie pasma roboczego, ale na
długości fali znajdującej się w obrębie pasma wzmocnienia wzmacniacza optycz-
nego. Sygnał zakłócający jest wzmacniany kosztem sygnałów użytkowych.
Doprowadza to do słabszego wzmocnienia sygnałów użytkowych i silnego
7.4. Zagłuszanie
207
f\
Wzmacniacz
optyczny
Rys. 7.11. Przykład ataku typu HSP
wzmocnienia sygnału zakłócającego. Spotyka się także rozwiązania, w których
wykorzystuje się więcej niż jeden sygnał zakłócający.
Mechanizm ataku typu HNP (rys. 7.12) jest podobny do HSP z tym, że na wejście
wzmacniacza optycznego wprowadza się szerokopasmowy szum (może nim być
np. sygnał z diody typu LED).
Wzmacniacz
optyczny
Rys. 7.12. Przykład ataku typu HNP
Atak typu HNP jest bardziej skuteczny od HSP. Wynika to z faktu, że poza
spowodowaniem słabszego wzmocnienia sygnałów użytkowych następuje silne
pogorszenie wartości stosunku sygnału do szumu.
Atak typu LSP (rys. 7.13) jest stosowany wobec wzmacniaczy optycznych
uzupełnionych o element realizujący funkcję dynamicznego wyrównywania poziomu
mocy optycznej (ang. DPE - Dynamie Pow,er Equalization).
Wyrównywanie poziomu mocy optycznej jest najczęściej przeprowadzane przez
wprowadzanie określonego tłumienia osobno dla każdego z kanałów systemu.
f\
DPE
Wzmamiacz
optyczny
Rys. 7.13. Przykład ataku typu LSP; DPE -dynamiczne wyrównywanie poziomu mocy
optycznej
208
Nadużycia w systemach WDM
W efekcie moce optyczne w kanałach są równane do naj niższego występującego
w paśmie poziomu mocy optycznej. Atak typu LSP polega na wprowadzeniu
sygnału o niskim poziomie mocy względem, którego będą wyrównane moce
optyczne innych kanałów.
Poza atakami przeprowadzanymi z jednego punktu systemu optotelekomunikacyj-
nego występują również ataki polegające na wprowadzaniu sygnału zagłuszającego
w wielu punktach systemu. W takich rozwiązaniach wyróżnia się zagłuszanie
wielopunktowe z wykorzystaniem wzmacniaczy optycznych (ang. multipoint EDFA
jamming) i z wykorzystaniem przesłuchu występującego w przełącznicach optycz-
nych (ang. multipoint crosstalk jamming). Istota tego typu ataku opiera się na
wprowadzaniu w wielu punktach sieci niewielkiego zakłócenia. Prawdziwe
zaburzenie przesyłanego sygnału następuje w wyniku akumulowania się zakłócenia
(rys. 7.14).
Punkt ataku 1
Punkt ataku 2
Punkt ataku 3
Sygnał
użytkowy
Punkt A
Punkt B
Punkt C
Rys. 7.14. Zagłuszanie wielopunktowe z wykorzystaniem wzmacniaczy optycznych
W pracy [7.11] podano przykład takiego ataku. W tabeli 7.2 przedstawiono
zamieszczone w artykule [7.11] wartości wzmocnienia sygnału użytecznego oraz
optycznego stosunku sygnału do szumu OSNR podczas ataku i przy jego braku
w określonych punktach systemu pokazanego na rys. 7.14. W przedstawionym
przykładzie przy braku ataku stosunek sygnału do szumu na wyjściu kolejnych
wzmacniaczy ulegał zmniejszeniu o ] dB. W wyniku ataku polegąjącego na
wykorzystaniu tzw. współzawodnictwa wzmocnieniowego następuje spadek wzmoc-
nienia. Spadek ten w punkcie A był stosunkowo niewielki, wynosił tylko 2 dB. Jest
to wartość, która może być zaakceptowana przez system zarządzający siecią. Jednak
w konsekwencji ataku wielopunktowego w punkcie C wartość stosunku sygnału do
Tabela 7.2. Wartości wybranych parametrów sygnału podczas ataku i przy jego braku
Bez ataku Atak
Wzmocnienie [dB] OSNR [dB] Wzmocnienie [dB] OSNR [dB]
Punkt A 22 23 20 21
Punkt B 22 22 20 18
Punkt C 22 21 20 15
----
7.4. Zagłuszanie
209
szumu spada do bardzo małej wartości 15 dB. Czyli jest mnIeJsza o 6 dB
w porównaniu z wartością w punkcie A (rys. 7.14). Wartość OSNR na poziomie
15 dB nie gwarantuje poprawnej pracy systemu telekomunikacyjnego [7.11].
Na rysunku 7.15 pokazano zasadę działania ataku wielopunktowego z wykorzys-
taniem przesłuchu występującego w przełącznicach optycznych. W przedstawionej
na rys. 7.15 sytuacji do każdej przełącznicy optycznej jest doprowadzany sygnał
zakłócający. Cześć wprowadzonego sygnału, w wyniku zjawiska przesłuchu,
przechodzi do sąsiednich kanałów. Ze względu na wielopunktowość ataku następuje
akumulacja zakłócenia uwidaczniająca się w stopniowym, coraz silniejszym
pogarszaniu się stosunku sygnału do szumu.
Punkt ataku 1
Punkt ataku 2
Punkt ataku 3
Sygnał
użytkowy
.. ,
---_._--
.
.'-..
..
-------..
.
.
'O 'O'O
---------
Przełącznica
optyczna
Przełącznica
optyczna
Przełącznica
optyczna
Rys. 7.15. Zagłuszanie wielopunktowe z wykorzystaniem przesłuchu występującego
w przełącznicach optycznych
W przypadku ataku wielopunktowego możemy wyróżnić sytuację, w której strona
przeprowadzająca atak ma informację na temat sygnału użytkownika, w związku
z czym jest w stanie precyzyjnie dobrać parametry sygnału zagłuszającego. Ten
typ ataku określamy jako zagłuszanie skorelowane (ang. correlatedjamming attack).
- 10 dB
-5 1 0-4
CI>'
-
.c
co
a.
o
....
en
co
o
....
c
Q)
E
Q)
w
._._._._._._._._._._._.-._._.-._.-
",.
",.
.
1 0 -2 - ! - - - -
, ---
---
. / - - - - 20 dB
! /
, /
. /
! /
, I
.
, I
.
- , I
.
, I
10- 6 ; I
; I
; I
; I
. I
10- 8 . I
,
. I
I
! I
10- 101 ,
!,
- 30 dB
-
- -
- -
-
-
- -
-
- -
-
- -
-
-
-
-
-
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
Rys. 7.16. Elementowa stopa
błędu w funkcji poziomu sygnału
zakłócającego; górna krzywa
odpowiada przesłuchowi
na poziomie -10 dB, środkowa
-20 dB, a najniższa -30 dB
o 2 4 6 8 10
Poziom sygnału zagłuszającego do zagłuszanego
210
Nadużycia w systemach WDM
Druga sytuacja to przypadek, gdy strona przeprowadzająca atak nie ma informacji
na temat sygnału użytkownika. W takim przypadku strona atakująca przyjmuje
pewne założenia dotyczące: wartości przesłuchu między kanałowego, poziomu
sygnału zagłuszającego i zagłuszanego oraz liczby punktów, w których będzie
wprowadzany sygnał zagłuszający. Taki atak nazywamy zagłuszaniem nieskorelo-
wanym (ang. uncorrelated jamming attack).
Na rysunku 7.16 pokazano przykład zmian poziomu elementowej stopy błędu
w funkcji mocy optycznej sygnału zagłuszającego dla różnych wartości przesłuchu
między kanałowego [7.11]. Jak widać na rys. 7.16 nawet przesłuch na poziomie
-30 dB nie gwarantuje pełnej odporności na zagłuszanie.
Na rysunku 7.17 pokazano również zależność elementowej stopy błędu od
poziomu sygnału zakłócającego. W przeciwieństwie jednak do poprzedniego
przypadku sygnał użytkowy poddano kodowaniu z wykorzystaniem techniki FEC
[7.11]. Przy stosowaniu techniki FEC wyraźnie widoczna jest poprawa odporności
na zagłuszanie.
- 10 dB
-5 10- 10
Q)'
-
..c
co 10- 15
a.
o
....
en
co
O
....
C
Q)
E
Q)
W
--ł"...... . - . - . - . 7'''' --.. --.. .... --. --. --.. --. --. --- --- --- -
r. *' *' - 20 dB
. *'
I *'
I I
. I
! I
! I
I
1 0- 20 . I
! I
1 0 -25 ! I
! I
! I
1 0- 30 . I
II
.
1 0- 35 . , ' '
,
.. .. ..
.. .. ..
.. .. .. .. .." - 30 dB
10- 5
.. .. ..
.. .. ..
.. ..
..
,
,
,
,
,
Rys. 7.17. Elementowa stopa
błędu w funkcji poziomu sygnału
zakłócającego; górna krzywa
odpowiada przesłuchowi
na poziomie -10 dB, środkowa
- 20 dB, a najniższa - 30 dB
,
,
,
,
,
O 2 4 6 8 10
Poziom sygnału zagłuszającego do zagłuszanego
7.5. Miejsca narażone na ataki
Na rysunku 7.18 przedstawiono przykład ataku w sieci czysto optycznej. Znamienne
w podanym przykładzie jest to, że atak przeprowadzamy w jednym miejscu sieci,
a jego wpływ jest rozprowadzany po całej sieci; w wyniku czego atak rozprze-
strzenia się w całej sieci lub w jej dużej części. Rozprzestrzenienie się ataku
następuje z wykorzystaniem mechanizmów pracy takich elementów sieci jak:
wzmacniacz optyczny, demultiplekser i przełącznica optyczna.
Przedstawiony na rys. 7.18 atak polega na wprowadzeniu do światłowodu 1 sygnału
optycznego o długości fali A2 (wykorzystywanej już w sieci) o wysokim poziomie
mocy optycznej. Jest to przykład typowego zagłuszania w paśmie. Należy jednak
zwrócić uwagę na to, że sygnał optyczny o długości fali A 2 realizuje typowe
zagłuszanie poza pasmem względem sygnału o długości fali Al z wykorzystaniem
wzmacniacza optycznego (przypadek a). Po przejściu przez element filtrujący,
7.5. Miejsca narażone na ataki
211
a b
(\ (\ f\ f\ f\ Al C ,'\
ĄI 1... 1 I ,
Al A2 lwi A2
M
r 1 A2
A-;.
M
2 Al
.
" " . A3
'ł f I.
. . I .
. . I . .
. . . .
A.I M
N .
.
.
AM
Rys. 7.18. Przykład rozprzestrzeniania się ataku w obrębie sieci optycznej
tj. demultiplekser i w następstwie zjawiska przesłuchu międzykanałowego sygnał
o długości A2 pogarsza jakość sygnału o długości fali Al (przypadek b). Gdy
wykorzystujemy w sieci przełącznice optyczne problemem staje się również
występujący w nich przesłuch międzykanałowy. W naszym przypadku, np. sygnał
o długości fali A2 wprowadzony do światłowodu N może być zagłuszany przez sygnał
o tej samej długości, który wprowadzono do światłowodu l. W wyniku przesłuchu
następuje pogorszenie jakości pracy kanału o długości fali A2 (przypadek c). Siła
ataku, tj. poziom zagłuszenia zależy od poziomu mocy optycznej sygnału wprowa-
dzonego do światłowodu 1 [7.12]. Na rysunku 7.19 pokazano inny przypadek ataku.
Przełącznica 1
'.
'.
...-......
..............
'.
'.
o,.
..
'.
.............
Sygnał 1
Sygnał 2
Sygnał 3
Przełącznica 2
"0
...............
'.
.........
'0.
'0
.................
'.
'0
Wzmacniacz
optyczny
Rys. 7.19. Przykład ataku w warstwie optycznej
212
Nadużycia w systemach WDM
W pokazanym przykładzie sygnał zakłócający (sygnał l) jest nadawany na tej
samej długości fali co sygnał 2, ale o dużo większej od niego mocy optycznej. Jest
więc to przykład zakłócania w paśmie. Na wyjściu przełącznicy optycznej mamy
zakłócony sygnał 2 o dużym poziomie mocy optycznej. Sygnał ten trafia na
wejście wzmacniacza optycznego i podlega silnemu wzmocnieniu kosztem słabiej
wzmacnianego sygnału 3. W tym miejscu mamy do czynienia z zakłócaniem poza
pasmem. Podobnie jak w poprzednim przypadku widzimy jak skutki ataku
przeprowadzonego w jednym miejscu sieci uwidaczniają się w innych jej miejscach
[7.13] .
Na tych przykładach widać wyraźnie, że ataki mogą mieć nielokalny charakter, tj.
miejsce fizycznego wprowadzenia sygnału zagłuszającego i efekt jego działania
mogą znajdować się w różnych miejscach sieci. Widać tu jak ważna jest
prawidłowa analiza zachodzących w sieci zjawisk by właściwie określić przyczyny
zachodzących zakłóceń i dokonać prawidłowej lokalizacji miejsca ataku. W sys-
temach typu WDM występuje kilka miejsc szczególnie narażonych na ewentualny
nieautoryzowany dostęp, który można wykorzystać do realizacji nadużyć.
Na rysunku 7.20 pokazano schemat sieci WDM z zaznaczeniem miejsc najczęściej
wykorzystywanych podczas nadużyć [7.14].
2
4
6
5
2
we w
Rys. 7.20. Schemat sieci WDM z zaznaczeniem miejsc najczęściej wykorzystywanych
podczas nadużyć
"
l. Swiatłowód (kabel światłowodowy) - punkt l
Ten element jest narażony na podpięcie elementów wprowadzających i wy-
prowadzających sygnał optyczny. Jest to miejsce narażone na ataki prowadzące do
nieautoryzowanego dostępu jak i służące do zagłuszania przesyłanej informacji.
2. Element rozgałęziający - punkt 2
Ten element może służyć do podłączenia urządzenia monitorującego jak również
do przyszłej rozbudowy sieci (co ma miejsce w niektórych rozwiązaniach sieci
dostępowych). Jest to jednak punkt sieci szczególnie narażony na nieautoryzowany
dostęp.
3. Wzmacniacz optyczny - punkt 3
Wzmacniacz optyczny jest szczególnie narażony na ataki polegające na zagłuszaniu,
w szczególności na ataki poza pasmem.
W niektórych rozwiązaniach nieautoryzowanego dostępu wykorzystuje się zjawisko
modulacji skrośnej zachodzące między sygnałami o różnej długości fali na wyjściu
wzmacnIacza.
7.6. Wykrywanie i eliminacja nadużyć
213
4. Krotnica falowa (multiplekser idemultiplekser) - punkt 4 i 5
W przypadku multipleksera istnieje możliwość wprowadzenia dodatkowego sygnału
mogącego wywołać zagłuszenie sygnału użytkowego. W przypadku demultipleksera
pojawia się zjawisko przesłuchu międzykanałowego wykorzystywane do nie-
autoryzowanego dostępu.
5. Przełącznica optyczna - punkt 6
Przesłuch międzykanałowy zachodzący w przełącznicy optycznej można wykorzys-
tać do nieautoryzowanego dostępu.
7.6. Wykrywanie i eliminacja nadużyć
Każda ingerencja dokonywana w łączu światłowodowym, każde wyprowadzanie
sygnału optycznego jest związane ze spadkiem mocy optycznej. Jeśli jednak spadek
mocy mieści się w granicach dopuszczalnego przez projektanta systemu marginesu,
to taki spadek mocy nie wywoła reakcji ze strony systemu zarządzania. Wynika
z tego, że wykrywanie nadużyć wymaga ciągłej analizy parametrów warstwy
fizycznej i właściwej reakcji na zachodzące zmiany. Ważne jest również rozróżnie-
nie między zmianami wartości parametrów sygnału optycznego, które wywołane są
przez czynniki naturalne i te które są wywołane przez mające miejsce nadużycie.
Do detekcji nadużyć w sieciach optycznych można posłużyć się następującymi
metodami: pomiarem mocy optycznej, analizą widma optycznego, metodą wyko-
rzystującą tzw. sygnał pilotowy, reflektometrią światłowodową oraz pomiarem
jakości odbieranego sygnału.
W pierwszej metodzie przeprowadza się pomiar mocy optycznej w całym zakresie
widmowym sygnału WDM. W tej metodzie przeprowadza się analizę zmian
.. ..." . .. .. "'..
mIerZOnej mocy optyczneJ w czasIe l porownuJe SIę Ją z przyjętymI wartoscIamI
progowymi, których przekroczenie powoduje określoną reakcję systemu zarządzania.
Naturalnym zastosowaniem tej metody jest detekcja zagłuszania w paśmie oraz
podsłuchu. Często wykonuje się monitorowanie mocy optycznej przed i za
miejscem potencjalnego nieautoryzowanego podłączania się.
W drugiej metodzie przeprowadza się analizę całego widma optycznego trans-
mitowanego w sieci sygnału. Podstawowym zastosowaniem tej metody jest
wyszukiwanie sygnałów realizujących zagłuszanie poza pasmem. Można ją jednak
zastosować również do szczegółowej analizy zmian poziomu mocy optycznej
zachodzących w poszczególnych kanałach optycznych.
W trzeciej metodzie do wykrywania ewentualnych nadużyć stosuje się sygnał
pilotowy, będący sygnałem nadawanym w światłowodzie wraz z sygnałami
użytkowymi. Sygnały pilotowe mogą być lokalizowane na długościach fali kanałów
WDM, bądź między nimi, bądź na długości fali spoza pasma transmitowanych
kanałów WDM. Analiza parametrów sygnału pilotowego pozwala na określenie
ewentualnych zmian zachodzących w torze transmisyjnym i na tej podstawie,
pośrednio pozwala na stwierdzenie czy kanały użytkowe są obiektem nadużyć.
214
Nadużycia w systemach WDM
Obiecującym rozwiązaniem jest wykorzystanie techniki zwielokrotnienia podnośnej
(ang. SCM - SubCarrier Multiplexing). W takim rozwiązaniu sygnał pilotowy
może służyć jako swoisty znacznik danego sygnału użytkowego; co pozwala na
detekcję nadużycia polegającego na podszywaniu się. Wykorzystanie tego roz-
wiązania ma szczególnie duże praktyczne znaczenie w systemach, w których
dokonuje się konwersji długości fali.
W metodzie czwartej, wykorzystującej reflektometrię światłowodową przeprowadza
się analizę echogramów. Metoda ta jest stosowana przede wszystkim do detekcji
zewnętrznej ingerencji w łącze światłowodowe. Echogram pozwala na precyzyjną
lokalizację nieciągłości łącza światłowodowego. Chodzi tu o detekcję jego
uszkodzenia czy też tappingu.
W ostatniej metodzie wykrywanie ewentualnych ataków przeprowadza się przez
analizę jakości transmitowanego sygnału, tj. przede wszystkim przez pomiar
elementowej stopy błędu lub parametru Q. Trudno jednak za jej pomocą wykryć
nadużycia w małym stopniu degradujące jakość transmisji. Bardzo ważna jest
prawidłowa i szybka (adekwatna do szybkości transmisji danych w kanałach
optycznych) interpretacja oraz lokalizacja ataków. Brak tego może doprowadzić
do: znacznej utraty przesyłanych danych, niewłaściwej reakcji ze strony systemu
zarządzania siecią, zinterpretowania ataku jako naturalną degradację sygnału, co
może doprowadzić do rozszerzenia się ataku na całą sieć [7.15].
Jeśli chodzi o eliminację nieautoryzowanego dostępu to najskuteczniejszym
sposobem jest zastosowanie przełączania zabezpieczającego w celu fizycznego
obejścia zagrożonego miejsca (oczywiście należy też pamiętać o szyfrowaniu
przesyłanej informacji). W przypadku ataków na wzmacniacze optyczne można
zastosować wyrównania poziomu mocy optycznej sygnałów w całym paśmie
wzmacniania. Ten rodzaj zabezpieczenia jednak zawodzi w przypadku ataku typu
LSP. Innym sposobem ograniczającym wpływ ataków na pracę wzmacniaczy jest
zastosowanie przełączania na wzmacniacze rezerwowe. Sposobem na eliminację lub
ograniczenia wpływu na działanie systemu ataków wykorzystujących takie zjawiska
nieliniowe jak mieszanie czterofalowe lub modulację skrośną jest stosowanie
skramblingu stanów polaryzacji. Wpływ zjawisk nieliniowychjest szczególnie słaby
w przypadku, gdy stany polaryzacji światła sygnału użytkowego i sygnału
zakłócającego są wzajemnie ortogonalne. Należy również pamiętać, że stosowanie
kodowania typu FEC ogranicza wpływ ataku polegającego na zagłuszaniu.
Literatura
215
Literatura
[7.1] M. Medard i inni: Security issues in all-optical networks. IEEE Network Magazine, vol. 11, nr 3,
str. 42-48, 1997
[7.2] P. Saengudomlert: Analysis and detection oj jamming attacks in an all-optical network, (praca
dyplomowa). Department of Electrical Engineering and Computer Science MIT, 1998
[7.3] M. M. Mosso i inni: OTDM quasi-all-optical demultiplexing techniques comparative analysis.
Proceedings of SBMOIIEEE MTT-S IMOC97, 1997
[7.4] Securing fiber optic communications implementing encryption at the physical layer. (Materiały
z firmy Securing Fiber Optic Communications), 2006
[7.5] G. J. Cannell i inni: Flexible networks employing nonintrusive single-mode optical fibre taps.
Electronics LeUers, vol. 24, nr 25, str. 1534-1536, 1988
[7.6] K. Shaneman i inni: Optical network security: technical analysis oj fiber tapping mechanisms
and methods Jor detection & prevention. Proceedings of 2004 IEEE Military Communications
Conference, 2004
[7.7] B. L. Heffner i inni: Switchable fiber-optic tap using the acousto-optic Bragg interaction. Optics
LeUers, vol. 11, nr 7, str. 476-478, 1986
[7.8] M. Matczak: Bezpieczeństwo sieci optycznych (praca dyplomowa inżynierska). PW Wydział
Elektroniki i Technik Informacyjnych, 2006
[7.9] M. N. Islam: InJormation assurance and system survivability in all-optical networks, www.
eecs.umich.edu/OSLlIslam/SecureComm- WP. pdf , 2003
[7.10] T. Deng, S. Subramaniam: Evaluation oJ optical amplifier robustness against covert QoS aUacks
in a point-to-point DWDM linko Proceedings of OFC/NFOEC 2005, Optical Fiber Communication
Conference/National Fiber Optic Engineers Conference, Anaheim (Stany Zjednoczone) 2005
[7.11] D. Marquis i inni: Physical security considerations in all-optical networks. Proceedings of SPIE,
vol. 3228, str. 260-271, 1998
[7.12] C. Mas i inni: Failure location algorithm Jor transparent optical networks. IEEE Journal on
Selected Areas in Communications, vol. 23, nr 8, str. 1508-15] 9, 2005
[7.13] N. Garg i inni: Survivability Jor all-optical network against optical attacks, www.seas.
gwu.edu/ - simha/research/ garg. pdf
[7.14] J. K. Patel i inni: A Jramework Jor managing Jaults and attacks in WDM optical networks.
Proceedings of DARP A Information Survivability Conference and Exposition (DISCEX 2001),
vol. II, str. 137-145,2001
[7.15] M. Medard i inni: Attack detection in all-optical networks. Proceedings of OFC 2002, Optical
Fiber Communication Conference, Anaheim (Stany Zjednoczone) 1998
Rozdział
Normalizacja systemów WDM
Dokumenty dotyczące normalizacji systemów ze zwielokrotnieniem falowym
możemy podzielić na dwie grupy. Pierwsza grupa dokumentów dotyczy elementów
składowych systemów WDM. Skoncentrowano się w nich na sprawach związanych
z metodami pomiaru podstawowych parametrów tych elementów. Druga grupa to
dokumenty opisujące wymagania jakie stawia się określonym parametrom trans-
misyjnym w systemach WDM.
Do pierwszej grupy dokumentów normalizacyjnych możemy zaliczyć dokumenty
Europejskiego Instytutu Norm Telekomunikacyjnych (ang. ETSI - European
Telecommunications Standards Institute), Międzynarodowej Komisji Elekrotechniki
(ang. lEC - International Electrotechnical Commission) oraz Europejskiego
Komitetu Normalizacyjnego Elektrotechniki (fr. CENELEC - Comite Europeen de
Normalisation Electrotechnique). Jeśli chodzi o normy CENELEC to okazuje się,
że ta organizacja w przytłaczającej większości (sięgającej 90 %) akceptuje
dokumenty lEC.
Do drugiej grupy zaliczamy dokumenty Międzynarodowej Unii Telekomunikacyjnej
(ang. ITU - International Telecommunication Union) i amerykańskiej firmy
T elcordia.
Należy podkreślić, że przytoczone w tym rozdziale informacje pochodzą z początku
roku 2007.
8.1. Normalizacja ETSI
W przypadku norm ETSI mamy jeden dokument związany z techniką WDM, jest
on zatytułowany: Transmission and Multiplexing (TM); Dense wavelength division
multiplexing devices; Common requirements and conformance testing (ETSI TS
101 791 Vl.3.l) i pochodzi z roku 2004. Dokument ten dotyczy wymagań
odnoszących się do metod pomiaru podstawowych parametrów elementów
i urządzeń wykorzystywanych w technice WDM m.in.: tłumienia, pasma przeno-
8.3. Normalizacja ITU
217
szenia, przesłuchu między kanałami, tłumienia zależnego od polaryzacji. Opisuje
także badania odporności urządzeń na wybrane czynniki środowiskowe. W tym
dokumencie mamy bezpośrednie odniesienia do metod pomiarowych opisanych
w normach lEC z serii lEC 61300: Fibre optic interconnecting devices and passive
components - Basic test and measurement procedures.
8.2. Normalizacja lEC
Dokumenty lEC koncentrują się na opIsIe parametrów wybranych elementów
składowych systemów WDM oraz na metodach ich pomiaru. Jednym z pod-
stawowych dokumentów jest norma lEC 62074-1: Fibre optic WDM devices - Part
1: Generic specification z roku 2001, która zawiera podstawowe informacje
dotyczące wybranych elementów składowych systemów WDM. Dokumenty
opisujące metody pomiarowe wykorzystywane do pomiaru wybranych parametrów
widmowych systemów WDM oraz optycznego stosunku sygnału do szumu należą
do serii lEC 61280: Fibre optic communication subsystem basic test procedures.
Normy ze wspomnianej już serii lEC 61300 opisują wybrane procedury pomiarowe
oraz warunki pracy elementów składowych systemów WDM.
Następną grupę tworzą normy z serii lEC 61753: Fibre optic interconnecting
devices and passive components performance standard. Opisują one wybrane
elementy i urządzenia WDM z naciskiem położonym na sprawy związane z kontrolą
warunków środowiskowych ich pracy. Normalizację wzmacniaczy optycznych
obejmuje seria lEC 61290 i lEC 61291: Optical amplifiers.
8.3. Normalizacja ITU
W dokumentach ITU poruszane są różne sprawy związane z działaniem systemów
WDM; przy czym przeważają te, które są związane z problematyką ich:
projektowania, utrzymania i eksploatacji.
Omówienie systemów WDM możemy znaleźć w następujących dokumentach ITU:
1. G. 671: Transmission characteristics of optical components and subsystems
z roku 2005.
2. G.692: Optical interfaces for multichannel systems with optical amplifiers
z roku 1998.
4. G. 694.1: Spectra l grids for WDM applications: DWDM frequency grid
z roku 2002.
5. G. 694.2: Spectra l grids for WDM applications: CWDM wavelength grid
z roku 2003.
6. 695: Optical interfaces for coarse wavelength division multiplexing applications
z roku 2005.
7. G. 696.1: lntra-domain DWDM applications z roku 2005.
8. G. 697: Optical monitoring for DWDM systems z roku 2004.
218
Normalizacja systemów WDM
9. G. 698.1: Multichannel DWDM applications with single channel optical
interJaces z roku 2005.
Zalecenie ITU- T G. 671
W tym zaleceniu znajdujemy omówienie parametrów podstawowych elementów
systemów WDM. Opisane są tu min. takie elementy jak: optyczna krotnica
transferowa, tłumik optyczny, optyczny element rozgałęziający, złącze optyczne,
filtr optyczny, isolator optyczny, kompensator dyspersji, przełącznica optyczna
oraz krotnica falowa.
W części dotyczącej metod pomiarowych parametrów opisywanych elementów
zalecenie odwołuje się do norm lEC z serii lEC 61300.
Zalecenie ITU- T G. 692
Jest to podstawowy dokument dotyczący systemów ze zwielokrotnieniem falowym.
Jego podstawową wadą jest to, że ogranicza się tylko do systemów o topologii typu
punkt-punkt ze stosunkowo niewielką liczbą kanałów.
W tym zaleceniu systemy WDM klasyfikowane są za pomocą tzw. kodu
aplikacyjnego o następującej postaci:
nWx-y.z, gdzie:
n - maksymalna liczba kanałów optycznych,
W - długość odcinka światłowodowego; wyróżniono trzy długości: L - daleki
zasięg ( -- 80 km), V - bardzo daleki zasięg (-- 120 km), U - ultradaleki zasięg
( -- 160 km),
x - maksymalna liczba odcinków dozwolona dla danego kodu aplikacji,
y - maksymalny poziom zwielokrotnienia sygnału SDH STM: y == 4
(622 Mbit/s), y == 16 (2,5 Obit/s),
z - typ światłowodu, określony w następujący sposób: 2 - światłowód 0.652,
3 - światłowód 0.653, 5 - światłowód 0.655.
Systemy dwukierunkowe są oznaczane przez dodanie litery B na początku kodu:
B-nWx-y.z.
Tabela 8.1. Systemy bez wzmacniaczy przelotowych
Zastoso- Dalekiego zasięgu Bardzo dalekiego zasięgu Ultradalekiego zasięgu
wanle (docelowy zasięg -- 80 km) (docelowy zasięg -- 120 km) (docelowy zasięg -- 160 km)
Typ świat- G.652 G.653 G.655 G.652 G.653 G.655 G.652 G.653 G.655
łowodu
4 kanały 4L -y.2 4L-y.3 4L-y.5 4V-y.2 4V-y.3 4V-y.5 4U-y.2 4U-y.3 4U-y.5
8 kanałów 8L-y.2 8L-y.3 8L-y.5 8V-y.2 8V-y.3 8V-y.5 8U-y.2 8U-y.3 8U-y.5
16 kanałów 16L-y.2 16L-y.3 16L-y.5 16V-y.2 16V-y.3 16V-y.5 16U-y.2 16U-y.3 16U-y.5
8.3. Normalizacja ITU
219
Zalecenie ITU- T G. 692 wyróżnia systemy bez wzmacniaczy optycznych w torze
światłowodowym, czyli bez wzmacniaczy przelotowych i ze wzmacniaczami
przelotowymi.
W tabeli 8.1 pokazano pierwszy rodzaj, a w tabeli 8.2 drugi rodzaj zalecanych
systemów WDM.
Tabela 8.2. Systemy ze wzmacniaczami przelotowymi
Zastoso- Do 3 odcinków bardzo dalekiego Do 5 odcinków bardzo dalekiego
wanle zasięgu zasięgu
Typ świat- G.652 G.653 G .655 G .652 G.653 G.655
łowodu
4 kanały 4V3-y.2 4V3-y.3 4V3-y.5 4V5-y.2 4V5-y.3 4V5-y.5
8 kanałów 8V3-y.2 8V3-y.3 8V3-y.5 8V5-y.2 8V5-y.3 8V5-y.5
16 kanałów 16V3-y.2 16V3-y.3 16V3-y.5 16V5-y.2 16V5-y.3 16V5-y.5
Zastoso- Do 8 odcinków dalekiego zasięgu Do 5 odcinków dalekiego zasięgu
wanle
Typ świat- G.652 G.653 G.655 G.652 G.653 G.655
łowodu
4 kanały 4L8-y.2 4L8-y.3 4L8-y.5 4L5-y.2 4L5-y.3 4L5-y.5
8 kanałów 8L8-y.2 8L8-y.3 8L8-y.5 8L5-y.2 8L5-y.3 8L5-y.5
16 kanałów 16L8-y.2 16L8-y.3 16L8-y.5 16L5-y.2 16L5-y.3 16L5-y.5
Na rysunku 8.1 przedstawiono konfigurację opisywanego w tym zaleceniu systemu.
Jak widać jest to system jednokierunkowy w układzie punkt-punkt. Zaznaczono na
nim szereg punktów, są to tzw. punkty odniesienia, dla których podaje się
konkretne wymagane wartości określonych parametrów fizycznych systemu.
S1 R M1 S01 R 1
S2 R M2 OMI MPI-S R' S' MPI-R OAl S02 R 2
. DA OD .
Sn : R Mn .
SOn .R
n
Rys. 8.1. Konfiguracja standaryzowanego systemu WDM; OM/DA - optyczny
multiplekser/optyczny wzmacniacz końcowy, DA/OD - optyczny
przedwzmacniacz/optyczny demultiplekser
Analizując przedstawiony system od nadajników do odbiorników możemy wyróżnić
następujące punkty odniesienia dla kanału i (i = 1...N).
Punkty Si są punktami odniesienia występującymi za nadajnikami optycznymi.
Punkty RMi są punktami odniesienia występującymi przed multiplekserem.
Punkt MPI-S jest punktem odniesienia występującym za multiplekserem lub
wzmacniaczem końcowym i na początku toru światłowodowego.
220
Normalizacja systemów WDM
Punkt R' jest punktem odniesienia występującym na końcu toru światłowodowego
i przed wzmacniaczem przelotowym.
Punkt S' jest punktem odniesienia występującym za wzmacniaczem przelotowym
i na początku toru światłowodowego.
Punkt MPI-R jest punktem odniesienia występującym na końcu toru światło-
wodowego i na wejściu przedwzmacniacza lub demultipleksera.
Punkty SDi są punktami odniesienia występującymi na wyjściu demultipleksera.
Punkty R i są punktami odniesienia występującymi na wejściu odbiorników
optycznych.
Dla każdego punktu odniesienia wybrano najistotniejsze, z punktu widzenia
działania systemu WDM, parametry sygnału optycznego. Parametry te dokładnie
zdefiniowano i w większości przypadków podano ich dopuszczalne wartości.
I. Wyjścia pojedynczych nadajników - punkty Si
l. Parametry widmowe źródła
a) szerokość linii widmowej na poziomie - 20 dB.
Zakłada się, że maksymalna szerokość linii widmowej na poziomie - 20 dB
powinna być mniejsza od l nm.
b) współczynnik tłumienia modów bocznych:
SSR = 1OIOglO( J (8.1)
gdzie: MI - średnia moc optyczna dominującego modu wzdłużnego, M 2 - moc
optyczna dominującego modu bocznego.
Zakłada się, że minimalna wartość współczynnika tłumienia modów bocznych
lasera nie może być większa od 30 dB.
2. Srednie moce wprowadzone do światłowodu
Maksymalna i minimalna średnia moc wprowadzona do światłowodu jest zdefinio-
wana w zaleceniach dotyczących jednokanałowych systemów SDH. Opis paramet-
rów fizycznych pojedynczych kanałów optycznych o przepływności STM-I (155
Mbit/s), STM-4 (622 Mbit/s) i STM-16 (2,5 Gbit/s) można znaleźć w zaleceniu G.
957: Optical interfaces Jor equipments and systems relating to the synchronous
digital hierarchy z roku 1999; a dla przepływności STM-64 (10 Gbit/s) w zaleceniu
G. 691: Optical interfaces Jor single channel STM-64 and other SD H systems with
optical amplifiers z roku 2006
3. Współczynnik ekstynkcji:
( ER (O) )
ex == 10 logIo
ER (O)
(8.2)
gdzie: ER (1) - średnia energia optyczna przy nadawaniu l, a ER (O) - średnia
energia optyczna przy O.
8.3. Normalizacja ITU
221
Wartość współczynnika ekstynkcji jest zdefiniowana w zaleceniu ITU-T G.957 lub
ITU-T G. 691. Jego wartość powinna wynosić 8,2 dB lub 10 dB w zależności od
rodzaju systemu.
4. Częstotliwość środkowa
Częstotliwości środkowe kanałów optycznych są określone przez siatkę częstot-
liwości o odstępie o wartości minimalnej 50 GHz z częstotliwością odniesienia
równą 193,10 THz (1552,52 nm) i przedziale od 196,1 THz (1528,77 nm) do
192,1 THz (1560,61 nm).
S. Odstęp między kanałami
Odstęp między kanałami jest definiowany jako różnica częstotliwości środkowych
sąsiednich kanałów.
W tabeli 8.3 pokazano fragment siatki z zalecanym rozmieszczeniem kanałów
z odległością między kanałami: 100 GHz, 200 GHz, 400 GHz, 500 GHz, 600 GHz
i 1000 GHz.
Zalecenie ITU- T G. 692 dopuszcza również nierównornieme rozmieszczenie
kanałów jako jeden ze sposobów eliminacji wpływu na pracę systemu zjawiska
mieszania czterofalowego.
Tabela 8.3. Fragment siatki rozmieszczenia kanałów optycznych systemu WDM
Częstot - Odległość między kanałami Długość
liwość 100 GHz 200 GHz 400 GHz 500/400 600 GHz 1000 GHz fali [nm]
[THz] GHz
194,5 * * * 1541 ,35
194,4 * 1542,14
194,3 * * * * 1542,94
194,2 * 1543,73
194, 1 * * 1544,53
194, O * 1545,32
193,9 * * * * 1546, 12
193,8 * 1546,92
193,7 * * * * 1547,72
193,6 * 1548,51
193,5 * * * * 1549,32
193,4 * * 1550,12
193,3 * * * 1550,92
193,2 * 1551,72
193, 1 * * * * 1552,52
193,0 * * 1553,33
192,9 * * * 1554, 13
222
Normalizacja systemów WDM
6. Odchylenie częstotliwości środkowej
Ten parametr jest definiowany jako różnica między zdefiniowaną w zaleceniu wartością
częstotliwości środkowej kanału optycznego i dopuszczalną, z punktu widzenia jakości
pracy systemu, graniczną wartością częstotliwości środkowej (tab. 8.4).
Tabela 8.4. Odchylenie częstotliwości środkowej
Odstęp między kanałami [GHz] Maksymalne odchylenie
częstotliwości środkowej [GHz]
50 Nie podano
100 Nie podano
N > 200 N/5
II. Styk optyczny - punkty MPI-S i S'
l. Przesłuch optyczny po stronie nadawczej
Określany jest jako stosunek mocy optycznej pochodzącej z sąsiednich kanałów
(sygnały przenikowe) do mocy optycznej danego kanału.
W zaleceniu nie podano dopuszczalnej wartości.
2. Moc wyjściowa w kanale
Jest to średnia moc optyczna wprowadzona do światłowodu w pojedynczym kanale
optycznym. W tabeli 8.5 pokazano zalecane wartości.
Tabela 8.5. Zalecane wartości mocy optycznej
w pojedynczym kanale
Liczba kanałów Moc optyczna w kanale [dBm]
1 17,0
2 14,0
3 12,2
4 11,0
5 10,0
6 9,2
7 8,5
8 8,0
16 5,0
32 2,0
3. Całkowita moc optyczna wprowadzona do światłowodu
Jest to maksymalna moc optyczna wszystkich kanałów w punkcie MPI-S lub
w punkcie S'.
8.3. Normalizacja ITU
223
Zalecana, maksymalna moc optyczna (włączając w to moc szumu AS E) nie może
być większa od 17 dBm.
4. Optyczny stosunek sygnału do szumu w kanale
Jest to stosunek wartości mocy sygnału optycznego do wartości mocy sygnałów
generowanych przez optyczne elementy aktywne.
W zaleceniu nie podano dopuszczalnej wartości.
S. Maksymalna różnica mocy optycznych w kanałach
Maksymalna różnica mocy optycznych kanałów jest to różnica między największą
i najmniejszą wartością mocy w kanałach.
W zaleceniu nie podano dopuszczalnej wartości.
III. Tor światłowodowy - między MPI-S a R' oraz między S' a MPI-R
l. Tłumienie sygnału optycznego
W tabeli 8.6 pokazano zalecane, dopuszczalne wartości tłumienia sygnału
optycznego dla systemu bez wzmacniaczy przelotowych. Z kolei w tabeli 8.7
przedstawiono wartości tłumienia jakie mogą występować między wzmacniaczami
przelotowymi.
Tabela 8.6. Dopuszczalne wartości tłumienia w systemach bez wzmacniaczy
przelotowych
Kod zastosowania Minimalne tłumienie Maksymalne tłumienie [dB]
nL-y.z Nie podano 22
nV-y.z Nie podano 33
nU-y.z Nie podano 44
Tabela 8.7. Dopuszczalne wartości tłumienia między wzmacniaczami przelotowymi
Minimalne tłumienie między Maksymalne tłumienie między
Kod zastosowania wzmacniaczami optycznymi
wzmacniaczami optycznymi
[dB]
nLx-y.z Nie podano 22
nVx-y.z Nie podano 33
2. Dyspersja chromatyczna
W tabeli 8.8 pokazano zalecane, dopuszczalne wartości dyspersji chromatycznej
dla poszczególnych rodzajów systemu WDM.
3. Reflektancja
Parametr ten jest definiowany w następujący sposób:
R i = 10 log 10 ( ;J
(8.3)
224
Normalizacja systemów WDM
Tabela 8.8. Dopuszczalne wartości dyspersji chromatycznej
Kod zastosowania Maksymalna całkowita
dyspersja [ps/nm]
L 1600
V 2400
U 3200
NV3-y.2 7200
NL5-y.2 8000
NV5-y.2 12000
NL8-y.2 12800
gdzie: Pi - poziom mocy odbitej od danego dyskretnego elementu w torze
światłowodowym, a Pj - poziom mocy padającej na dany dyskretny element
w torze światłowodowym.
Wartość reflektancji jest zdefiniowana w zaleceniu ITU-T G.957. Maksymalna
wartość reflektancji powinna być na poziomie -25 dB lub -27 dB.
4. Tłumienie fali odbitej
Parametr ten jest definiowany jako:
ORL = 10 log 10 ( : ) (8.4)
gdzie: PI - poziom mocy optycznej (w danym punkcie odniesienia) sygnału
propagującego się w kierunku do odbiornika, P 2 - poziom mocy optycznej (w
danym punkcie odniesienia) sygnału odbitego i propagującego się w kierunku
części nadawczej.
Wartość tłumienia fali odbitej jest zdefiniowana w zaleceniu ITU-T G.957.
Wartość tłumienia fali odbitej nie może być mniejsza od 24 dB.
IV. Styk optyczny - punkty MPI-R i R'
/
1. Srednia moc wejściowa kanału
Jest to średnia moc optyczna w danym kanale optycznym zmierzona w punkcie
MPI-R i R'.
/
2. Srednia całkowita moc wejściowa
Jest to średnia moc optyczna w światłowodzie zmierzona w punkcie MPI-R i R'.
3. Stosunek sygnału do szumu w kanale
Nie jest zdefiniowany przez zalecenie.
4. Przesłuch optyczny
Nie jest zdefiniowany przez zalecenie.
5. Maksymalna różnica mocy wejściowych kanałów
Maksymalna różnica mocy optycznych kanałów jest różnicą między największą
i najmniejszą wartością mocy w kanałach.
W zaleceniu nie podano dopuszczalnej wartości.
8.3. Normalizacja ITU
225
V. Porty wyjściowe kanałów optycznych - punkty SD;
1. Przesłuch optyczny w portach wyjściowych indywidualnych kanałów
Określany jest jako stosunek mocy optycznej pochodzącej z sąsiednich kanałów
(sygnały przenikowe) do mocy optycznej danego kanału.
W zaleceniu nie podano dopuszczalnej wartości.
VI. Wejścia indywidualnych odbiorników - punkty R;
1. Czułość odbioru (odbiornika) sygnału optycznego
Czułość odbioru sygnału optycznego jest definiowana jako minimalna dopuszczalna
wartość średniej mocy optycznej w punkcie R;, która jest niezbędna dla uzyskania
określonej elementowej stopy błędu.
2. Przeciążenie odbiornika związane z jego przesterowaniem
Maksymalna moc dochodząca do odbiornika jest maksymalną dopuszczalną
wartością średniej mocy optycznej odbieranej w punkcie R;, która jest niezbędna
do uzyskania określonej elementowej stopy błędu.
Czułość odbioru i przeciążenie odbiornika jest zdefiniowane w zaleceniu ITU-T
G.957 lub ITU-T G. 691 opisujących parametry fizyczne systemów SDH.
3. Dodatkowe straty drogi optycznej
Dodatkowe straty drogi optycznej opisują zmniejszenie czułości odbioru odbiornika
spowodowane przez zniekształcenia sygnału powstałe w wyniku jego propagacji
w światłowodzie.
Tego parametru nie zdefiniowano w zaleceniu.
4. Reflektancja odbiornika
Reflektancja odbiornika jest to reflektancja mierzona w punkcie R i .
Wartość reflektancji jest zdefiniowana w zaleceniu ITU-T G.957. Wartość
reflektancji nie może być większa od - 27 dB.
5. Stosunek optycznego sygnału do szumu
Jest to minimalna wartość stosunku mocy sygnału optycznego do mocy szumów
przy zakładanej wartości elementowej stopie błędu.
6. Długość fali odbiornika
Długość fali odbiornika jest definiowana jako dopuszczalny zakres długości fal
w punkcie R i .
VII. Wzmacniacze optyczne
Uwzględnia się następujące parametry wzmacniaczy przelotowych:
1. Wielokanałowa zmiana wzmocnienia.
2. Wielokanałowe nachylenie charakterystyki wzmocnienia.
3. Różnicowa wielokanałowa zmiana wzmocnienia.
4. Całko\vita moc odbierana w punkcie R'.
5. Całko\vita moc wprowadzana w punkcie S'.
6. Współczynnik szumu wzmocnieniowej emisji spontanicznej.
226
Normalizacja systemów WDM
Parametry wzmacniaczy optycznych są określone w takich dokumentach jak lEC
61290 i lEC 61291 oraz następujących zaleceniach ITU-T:
1. G. 661: DeJinition and test methods Jor the relevant generic parameters oj
optical amplifier devices and subsystems z roku 2006.
2. G. 662: Generic characteristics oj optical amplifier devices and subsystems
z roku 2005.
3. G. 663: Application related aspects oj optical amplifier devices and subsystems
z roku 2000.
4. G. 664: Optical saJety procedures and requirements Jor optical transport
systems z roku 2006.
Dodatkowo warto wspomnieć o zaleceniu G. 665: Generic characteristics oj
Raman amplifiers and Raman amplified subsystems z roku 2005, w którym
przedstawiono wymagania na wzmacniacze Ramana.
VIII. Kanał nadzorczy
W zaleceniu wspomniano jedynie o jego lokalizacji. Przewiduje się jego umiesz-
czenie na długości fali 1510 + 10 nm (198,5 + 1,4 THz). Jednak dopuszczalne są
również rozwiązania, w których jest on umieszczony na długości fali 1480 + 10 nm
lub 1310 nm.
Zalecenie ITU- T G. 694. 1
Zalecenie ITU-T G.694.1 określa sposób rozmieszczenia kanałów optycznych przy
odległości między kanałami wynoszącej 12,5 GHz, 25 GHz, 50 GHz i 100 GHz.
1. Dla odległości między kanałami wynoszącej 12,5 GHz kanały optyczne muszą
być umieszczone na następujących częstotliwościach:
193,1 +n x 0,0125 [THz], gdzie n -liczba całkowita.
2. Dla odległości między kanałami wynoszącej 25 GHz kanały optyczne muszą być
umieszczone na następujących częstotliwościach:
193,1 +n x 0,025 [THz], gdzie n -liczba całkowita.
3. Dla odległości między kanałami wynoszącej 50 GHz kanały optyczne muszą być
umieszczone na następujących częstotliwościach:
193,1 + n x 0,05 [THz], gdzie n - liczba całkowita.
4. Dla odległości między kanałami wynoszącej 100 GHz kanały optyczne muszą
być umieszczone na następujących częstotliwościach:
193,1 +n x 0,1 [THz], gdzie n -liczba całkowita.
Zalecenie ITU- T G. 694.2
W zaleceniu ITU- T G.694.2 przedstawiono sposób rozmieszczenia kanałów
opycznych dla systemu CWDM. Zakłada się odległość między kanałami równą
20 nm. Kanały optyczne powinny być umieszczone na następujących długościach
fali: 1271 nm, 1291 nm, 1311 nm, 1331 nm, 1351 nm, 1371 nm, 1391 nm,
8.3. Normalizacja JTU
227
1411 nm, 1431 nm, 1451 nm, 1471 nm, 1491 nm, 1511 nm, 1531 nm, 1551 nm,
1571 nm, 1591 nm i 1611 nm.
Zalecenie I TU- T G. 695
W zaleceniu ITU- T G.695 mamy podany opis parametrów fizycznych, wraz z ich
dopuszczalnymi wartościami, dla jednokierunkowych i dwukierunkowych systemów
typu CWDM pracujący w topologii punkt-punkt i pierścieniowej. Przedstawiono
w nim systemy pracujące z liczbą kanałów równą: 4, 8 i 16. W zaleceniu opisano
parametry dla systemu krótkiego i dalekiego zasięgu. Pierwszy z nich jest
A1
A1
A2
OM
OAOM
00
A2
.
.
.
An ·
.
· An
Rx Tx
AX AX
Rys. 8.2. System eWDM w konfiguracji typu punkt-punkt
Rx Tx
AX AX
OAOM
Tx O Tx
AX O AX
A A
Rx D D
M M Rx
AX AX
cm
OAOM
Rx Tx
AX AX
Rys. 8.3. System eWDM
w konfiguracji pierścieniowej
228
Normalizacja systemów WDM
określony jako system o stratach mocy optycznej nie przekraczających 11 dB.,
a drugi o stratach nieprzekraczających 22 dB.
Na rysunku 8.2 przedstawiono standaryzowany system CWDM w konfiguracji
typu punkt-punkt. Z kolei na rys. 8.3 przedstawiono standaryzowany system
CWDM w konfiguracji pierścieniowej.
Zalecenie ITU- T G. 696. 1
Zalecenie G.696.1 zawiera opis warstwy fizycznej systemów DWDM typu
"Intra-Domain" (laD). Zalecenie to dotyczy systemów typu punkt-punkt ze
wzmacniaczem optycznym i bez niego. W dokumencie określono parametry
dla systemów krótkiego, dalekiego i bardzo dalekiego zasięgu. Pierwsze dwa
definiowane są jak w poprzednio omawianym zaleceniu. Z kolei system bardzo
dalekiego zasięgu jest definiowany jako system o stratach mocy optycznej
nieprzekraczających 33 dB.
Zalecenie I TU- T G. 697
Zalecenie G. 697 klasyfikuje i definiuje parametry sygnału optycznego, których
pomiar pozwala na określenie jakości transmitowanego sygnału optycznego.
W tym dokumencie znajduje się również opis metod pomiarowych służących do
pomiaru jakości sygnału optycznego. W rozdziale IX szerzej przedstawiono
informacje zawarte w tym zaleceniu.
Zalecenie ITU- T G. 698. 1
Zalecenie 698.1 opisuje parametry warstwy fizycznej pojedynczych kanałów
systemów typu DWDM pracujących w konfiguracji punkt-punkt o krótkim i dalekim
zasIęgu.
Należy również wspomnieć o grupie wymagań opisujących zagadnienia związane
z optyczną siecią transportową. Są to następujące dokumenty:
l. G. 709: lntelfaces for the Optical Transport Nenvork (OTN) Z roku 2003.
2. G. 870: Terlns and definitions for optical transport netvvorks (OTN) Z roku 2004.
3. G. 87/: Fralnevvork oj Optical Transport Nenvork Recolnnzendations Z roku 2000.
4. G. 872: Architecture oj optical transport networks Z roku 2001.
5. G. 873.1: Optical Transport Network (OTN): Linear /Jrotection Z roku 2003.
6. G. 874: Managenlent aspects oJthe optical transport network elelnent z roku 2001.
7. G. 874.1: Optical transport network (OTN): Protocol-neutral Inanagement
inforlnation InodeI Jor the network elelnent viełV Z roku 2002.
8.4. Dokumenty Telcordii
Do najważniejszych dokumentów Telcordii dotyczących systemów WDM zaliczamy:
1. DWDM Network Transpon Systems withDigital Tributariesjor Use in Metropolitan
Area Applications: Comlnon Generic Criteria (GR-2918-CORE) z roku 2003.
8.4. Dokumenty Telcordii
229
2. Generic Requirements for Wavelength Division Multiplexing (WDM) Element
Management Systems (EMSs) (GR-2998-CORE) z roku 2000.
3. Generic Requirements for Wavelength Division Multiplexing (WDM) Network
Management Systems (NMSs) (GR-2999) z roku 2000.
4. Generic Requirements for Dense Wavelength Division Multiplexing (DWDM)
Network Management System (NMS)-Element Management System (E MS) Inteiface
(GR-3iOS) z roku 2000.
5. Generic Requirementsfor Optical Add-Drop Multiplexers (O ADM s) and Optical
Terminal Multiplexers (OTMs) (GR-2998) z roku 2005.
Podstawowym z nich jest dokument GR-29i8-CORE. W tym dokumencie opisano
bardzo szczegółowo elementy składowe jak i całe systemy WDM z bardzo
precyzyjnym określeniem poszczególnych parametrów i ich wartości. Dokładnemu
opisowi poddano konfigurację systemu, której schemat pokazano na rys. 8.4.
OUI-1R1
OUI-1R1
Klient-NE A1
A1 Klient-NE
ONI-nS ONI-nR
ONI-nS ONI-nR
ONI-nS ONI-nR
OTM-n
OUI-1 S1
OUI-1S1
.
OTM-n
.
.
A1.....An.AOSC OLA-n
A1,....An,AOSC OAOM-n A1,....An,AOSC
.
.
OUI-1 Rn
ONI-nR ONI-nS t I ONI-nR
Rosc -+ ł- Sosc
OUI-1Rn
ONI-nS
An
Rosc
An
AOSC
AOSC
OUI-mR
OUI-mS
OUI-1Sn
...
OUI-1Sn
Sosc
A1,....Am.AOSC
Sosc
Rosc
Rosc
AOSC
AOSC
Rys. 8.4. Schemat konfiguracji standaryzowanego systemu WDM
Warto w tym miejscu krótko porównać ten dokument z zaleceniem ITU-T G. 692.
Przede wszystkim dokument Telcordii bardzo dokładnie opisuje wszystkie najważ-
niejsze parametry, wraz z podaniem ich konkretnych dopuszczalnych wartości, dla
każdego z przedstawionych na rys. 8.4 punktów odniesienia. Dokument Telcordii
jest pełniejszy i dokładniejszy od zalecenia ITU-T G.692, w którym dość często
. .. . . "
wystęPUją puste mIejSCa zamIast wartoscI parametrow.
W dokumencie GR-29i8-CORE bardzo precyzyjnie określono zależność między:
liczbą kanałów, odległością między nimi i dopuszczalnym odchyleniem częstotli-
wości środkowej danego kanału. Przedstawiono to w tab. 8.9.
Jak widać w tab. 8.9 dokument Telcordii definiuje system WDM o większej liczbie
kanałów niż zalecenie ITU- T G. 692. Podobnie jak w zaleceniu ITU- T G. 692 przyjęto
tu długość fali odniesienia równą 193,10 THz (1552,52 nm). Kanały optyczne muszą
znajdować się w przedziale od 196,15 THz (1528,38 nm) do 192,10 THz (1560,61 nm).
W tabeli 8.10 przedstawiono cześć siatki rezerwacji poszczególnych długości fali
dla kanałów optycznych przy różnej liczbie kanałów.
230
Normalizacja systemów WDM
Tabela 8.9. Liczba kanałów, odległość między nimi i dopuszczalne odchylenie
częstotliwości środkowej danego kanału
Odległość między kanałami Dopuszczalne odchylenie
Liczba kanałów częstotliwości środkowej kanału
[GHz]
[GHz]
4 800 + 40
8 400 + 20
16 200 + 10
24 100 + 5
32 100 + 5
40 100 + 5
64 50 + 3
80 50 + 3
Tabela 8.10. Fragment siatki rozmieszczenia kanałów WDM
Częstot - Długość fali Liczba kanałów
liwość
[n m]
.[THz] 80 64 40 32 24 16 8 4
193,75 1547,32 R R
193,70 1547,72 R R R R -R R R R
193,65 1548, 12 R R
193,60 1548,51 R R R R R
193,55 1548,92 R R
193,50 1549,32 R R R R R R
193,45 1549,72 R R
193,40 1550, 12 R R R R R
193,35 1550,52 R R
193,30 1550,92 R R R R R R R
193,25 1551,32 R R
193,20 1551 ,72 R R R R R
193,15 1552, 12 R R
193, 1 O 1552,52 R R R R R R
193,05 1552,93 R R
193,00 1553,33 R R R R R
192,95 1553,73 R R
192,90 1554, 13 R R R R R R R R
192,85 1554,54 R R
192,80 1554,94 R R R R R
8.4. Dokumenty Telcordii
231
W dokumencie Telcordii dopuszczalna moc optyczna w światłowodzie może
wynosi 20 dBm, czyli jest o 3 dB większa niż w zaleceniu ITU-T G. 692.
W dokumencie GR-2918-CORE systemy WDM sklasyfikowano w następujący
sposób. Pierwszy, najbardziej ogólny, podział opiera się na uwzględnieniu liczby
wykorzystywanych kanałów optycznych. Systemy o tej samej liczbie kanałów
dzielą się na systemy:
- bez wzmacniaczy optycznych,
- ze wzmacniaczem końcowym i bez przed wzmacniacza,
- ze wzmacniaczem końcowym i przedwzmacniaczem,
- ze wzmacniaczem końcowym, przelotowym i przedwzmacniaczem.
Każdy z tych systemów jest dalej dzielony przyjmując jako kryterium podziału
zasięg transmisji. Najkrótszy zasięg transmisji wynosi 12 km, a największy jest
równy 1200 km.
W omawianym dokumencie dokładnie opisano kanał nadzorczy. Dokładne
parametry kanału nadzorczego podano w tab. 8.11.
Tabela 8.11. Parametry kanału nadzorczego
Parametr Wariant 1 Wariant 2 Jednostka
Punkt styku ONI-nS*
Długość fali 1510 1510 nm
Dopuszczalna zmiana długości fali 10 10 nm
SSR min 30 30 dB
Maksymalna moc optyczna -10 -2 dBm
Minimalna moc optyczna -13 -4 dBm
Współczynnik ekstynkcji 8,2 8,2 dB
T rakt optyczny
Tłumienie 0-11 11-26 dB
Maksymalna dyspersja chromatyczna NA NA ps/n m
Dodatkowe straty drogi optycznej 1 1 dB
Minimalna wartość ORL 20 20 dB
Maksymalna reflektancja między ONI-nS a ONI-nR -25 -25 dB
Punkt odniesiena ONI-nR *
Maksymalna moc optyczna -10 -13 dBm
Minimalna moc optyczna -24 -30 dBm
Maksymalna wartość reflektancji NA -25 dB
* punkty odniesienia zgodne z rys. 8.4
232
Normalizacja systemów WDM
Szczegółowo również opisano parametry wzmacniaczy optycznych (tab. 8.12) oraz
elementów filtrujących sygnał optyczny (tab. 8.13).
Tabela 8.12. Parametry wzmacniaczy optycznych
Pwe,min Pwe,max Pwy,min Pwy,max Gmin/Gmax NF P(A)
Jednostka dBm dBm DBm dBm dB dB dBm
Końcowy -5 +2 +2 +20 +5/- 10 -
Przedwzmacniacz -26 - - - - 5 < -10
Przelotowy -26 -9 +2 +20 + 15/40 7 -
Pwe,min, Pwe,max - minimalna i maksymalna moc optyczna na wejściu wzmacniacza
Pwe,min, Pwe,max - minimalna i maksymalna moc optyczna na wyjściu wzmacniacza
Gmin, Gmax - minimalne i maksymalne wzmocnienie
NF - współczynnik szumu
P(A) - odchylenie od płaskości charakterystyki wzmocnienia
Tabela 8.13. Parametry elementów filtrujących
Liczba kanałów 4 8 16 24/32/40 64/80
Jednostka GHz
'max + 12 + 6 + 3 +1 + 1
'PB1 + 40 + 20 + 10 +5 + 3
'PB2 + 100 + 50 + 25 +12 + 6
'PB3 + 200 + 100 + 50 + 25 + 12
ó.f max - maksymalne odchylenie częstotliwości środkowej
Ó.f pB1 - szerokość pasma określona na poziomie o 0,1 dB mniejszym od wartości szczytowej
Ó.f pB2 - szerokość pasma określona na poziomie o 0,2 dB mniejszym od wartości szczytowej
Ó.f pB3 - szerokość pasma określona na poziomie o 0,4 dB mniejszym od wartości szczytowej
Rozdział
Badanie jakości pracy systemów WDM
Pełne badanie jakości pracy każdego systemu telekomunikacyjnego składa się
z testowania aktywnego i monitorowania jego działania. Testowanie aktywne
przeprowadza się przede wszystkim w warunkach laboratoryjnych, przed włącze-
niem badanego systemu do pracy w sieci telekomunikacyjnej. Z kolei monitorowanie
(wydajności) pracy systemu optycznego (ang. optical performance monitoring) jest
testowaniem biernym wykonywanym na działającym systemie.
Niezawodne działanie każdego systemu telekomunikacyjnego zapewnia: poprawne
zaprojektowanie systemu z punktu widzenia świadczenia usług na zadanym
poziomie jakości oraz użycie właściwego sposobu monitorowania kluczowych
parametrów systemu. Celem monitorowania jest wykrycie wszelkich zachodzących
w warstwie fizycznej anomalii mogących mieć wpływ na jakość świadczenia usług
telekomunikacyjnych. Poprawnie działający system monitorowania musi pozwolić
na wykrycie wszelkich negatywnych zmian mających miejsce w trakcie światło-
wodowym i zachodzących w krótkim przedziale (czasowym) (np. przecięcie
włókna światłowodowego), jak i zachodzących w długim okresie (czasowym)
(efekty starzeniowe). Monitorowanie parametrów fizycznych sygnału optycznego
ma tę zaletę, że pomiar jakości transmisji jest niezależny od rodzaju trans-
mitowanych danych.
9.1. Metody monitorowania
Metody monitorowania systemów telekomunikacyjnych dzielą się na pośrednie
i bezpośrednie. Pierwsze z nich polegają na określeniu jakości pracy systemu na
podstawie informacji pochodzących z wybranych urządzeń. Mogą to być informacje
np. o uszkodzeniu elementu zasilającego czy też o zmianie temperatury lasera.
Informacje tego typu można uzyskać z wbudowanych w niektórych urządzeniach
funkcji samotestujących. Nie jest to jednak metoda dokładna; nie uwzględnia
całego zakresu spraw związanych ze zjawiskami zachodzącymi w światłowodach.
234
Badanie jakości pracy systemów WDM
Z kolei drugie opierają się na bezpośredniej analizie transmitowanego sygnału.
Wśród metod bezpośrednich możemy wyróżnić metody, w których przeprowadza
się analizę jakości sygnału optycznego w dziedzinie częstotliwości oraz metody
analizy w dziedzinie czasu. Analiza w dziedzinie częstotliwości polega na badaniu
właściwości widmowych sygnału optycznego. Ocenę jakości sygnału przeprowadza
się na podstawie: poziomu mocy optycznej sygnału, optycznego stosunku sygnału
do szumu czy też parametrów widmowych sygnału wielofalowego (np. zmiana
położenia danego kanału optycznego). Analiza w dziedzinie czasu sprowadza się
do badania sygnału elektrycznego i umożliwia ocenę stopnia zniekształcenia
transmitowanego sygnału. Ocenę jakości pracy systemu wykonuje się na podstawie
pomiaru elementowej stopy błędu lub parametru Q. Pomiar elementowej stopy
błędu czy też parametru Q daje informacje o całkowitej jakości sygnału i stopniu
jego degradacji w wyniku zjawisk zachodzących między nadajnikiem sygnału
a miejscem pomiaru. Pomiar tego typu umożliwia równoczesną analizę wpływu
na jakość sygnału różnego typu szumu (szumu ASE, szumu lasera, szumu
odbiornika), zniekształceń kształtu sygnału spowodowanych przez dyspersję
chromatyczną lub polaryzacyjną czy też zjawisk nieliniowych. Należy tu pod-
kreślić, że pomiar elementowej stopy błędu i parametru Q wymaga synchronizacji.
Co do pomiaru parametru Q, to można spotkać również metody asynchroniczne
[9.1 ].
N a podstawie pomiaru parametru Q można oszacować wartość elementowej stopy
błędu; w tym celu można posłużyć się zależnościami podanymi w rozdziale 4.
Trzeba jednak pamiętać, że określenie elementowej stopy błędu na podstawie
parametru Q jest poprawne tylko w przypadku, gdy zniekształcenia sygnału są
powodowane tylko przez szum o rozkładzie gaussowskim. W przypadku, gdy
zniekształcenia są wywołane przez szum o innym rozkładzie czy też źródłem
zniekształceń jest dyspersja lub przesłuch międzykanałowy, to proponowane
szacowanie elementowej stopy błędu jest obarczone błędem.
Jak już to wspomniano w rozdz. IV trzeba pamiętać, że wyznaczenie wartości
elementowej stopy błędu na podstawie parametru Q nie zastąpi jego pomiaru.
Elementowa stopa błędu jest parametrem statystycznym, zależnym od czasu
trwania pomiaru. Przedział czasu, w którym przeprowadza się pomiar parametru Q
jest krótki, najczęściej krótszy niż 1 minuta. W związku z tym pomiar parametru Q
pozwala jedynie na ocenę jakości działania systemu w danym, krótkim przedziale
czasu.
W tabeli 9.1 przedstawiono zjawiska, których zmiany mają wpływ na pogorszenie
jakości pracy systemów WDM, w tabeli uwzględniono częstotliwość ich wystąpienia
w systemie. W omawianej tabeli częstotliwość duża oznacza, że pogorszenie
jakości sygnału w postaci dodatkowej utraty mocy optycznej na poziomie 3 dB
spowodowane danym zjawiskiem występuje przynajmniej 10 razy w ciągu roku.
Częstotliwość średnia oznacza, że dodatkowa utrata mocy optycznej na poziomie
3 dB spowodowana danym zjawiskiem występuje raz do roku. Częstotliwość mała
9. 1. Metody monitorowania
235
Tabela 9.1. Zjawiska fizyczne wpływające na pogorszenie jakości pracy systemów
optycznych [9.2]
Zjawisko Częstotliwość występowania zmian
Tłumienie duża
Wzmocnienie sygnału optycznego duża
Położenie (częstotliwość) kanału optycznego duża
Dyspersja polaryzacyjna średnia
Mieszanie czterofalowe średnia
Szum ASE średnia
Dyspersja chromatyczna średnia
Nachylenie charakterystyki dyspersji chromatycznej średnia
Reflektancja i tłumienie fali odbitej średnia
Szumy związane z pracą lasera średnia
Przesłuch międzykanałowy średnia
Modulacja skrośna fazy mała
Samomodulacja fazy mała
Rozpraszanie Brillouina mała
Rozpraszanie Ramana mała
oznacza, że dodatkowa utrata mocy optycznej na poziomie 3 dB spowodowana
danym zjawiskiem występuje raz na 10 lat [9.2].
Do podstawowych parametrów sygnału, które powinny być monitorowane należy
zaliczyć: całkowitą moc optyczną, moc optyczną w kanale optycznym, długość fali
(częstotliwość) kanału optycznego, optyczny stosunek sygnału do szumu i parametr Q.
Tabela 9.2. Monitorowane w systemach WDM parametry, których zmiany powodują
degradację jakości pracy systemów [9.2]
Całkowita Moc Długość fali
optyczna Parametr
Parametr moc kanału OSNR
w kanale Q
optyczna optycznego
optycznym
Zmiana tłumienia X X X X
Zmjana położenia kanału X X X X
optycznego
Zmiana mocy optycznej X X X
w kanale optycznym spo-
wodowana przez zmianę
wzmocnienia wzmacnia-
cza optycznego
236
Badanie jakości pracy systemów WDM
W tabeli 9.2 pokazano monitorowane w systemach WDM parametry, których
zmiany powodują degradację jakości pracy systemów.
Należy pamiętać, że zaburzenia jakości transmitowanego sygnału są powodowane
nie tylko przez zachodzące w samych światłowodach zjawiska fizyczne, ale także
przez zjawiska występujące w elementach biernych (np. w krotnicach falowych)
i aktywnych (np. we wzmacniaczach optycznych).
Minimalny zestaw pomiarów gwarantujący możliwość poprawnej analizy pracy
całego systemu transmisji optycznej zawiera pomiary:
a) całkowitej mocy optycznej na wejściu i wyjściu poszczególnych stopni
wzmacniaj ących,
b) mocy optycznej w kanale optycznym na wyjściu nadajnika przed multiplekserem,
c) mocy optycznej w kanale optycznym na wejściu odbiornika za demultiplekserem,
d) mocy optycznej w kanale optycznym na wyjściu poszczególnych stopni
wzmacniaj ących,
e) zmiany długości fali (częstotliwości) kanału optycznego przynajmniej w jednym
punkcie traktu telekomunikacyjnego,
f) optycznego stosunku sygnału do szumu w kanale optycznym na wyjściu
poszczególnych stopni wzmacniających.
Pomiary mocy optycznej w określonych punktach systemu mogą być wykonywane
za pomocą miernika mocy optycznej z wykorzystaniem wyjść monitorujących
systemu. W celu otrzymania wglądu w poszczególne kanały niezbędne jest
wykorzystanie analizatora widma optycznego. Z kolei do obserwowania zmian
położenia kanałów optycznych niezbędne okazuje się zastosowanie analizatora
widma optycznego lub miernika długości fali.
Przy pomiarach wykonywanych w dziedzinie częstotliwości najwięcej informacji
na temat jakości transmitowanego sygnału dostarcza pomiar optycznego stosunku
Moc
optyczna
Miejsce pomiaru
wartości ASE
jZmOCnion y sygnal
Miejsce pomiaru
/ wartości ASE
I
Wartość ASE wyznaczana
metodą interpolacyjną
Długość fali
Rys. 9.1. Wyznaczanie wartości szumu ASE w metodzie interpolacyjnej na podstawie
otrzymanego widma optycznego (dla uproszczenia przyjęto szeroki przedział liniowego
przebiegu widma w sąsiedztwie sygnału)
-
9. 1. Metody monitorowania
237
sygnału do szumu. Techniki pomiaru OSNR można podzielić na pomiary w paśmie
(ang. in band) i poza pasmem (ang. out oj band). Zależy to od tego, czy szum jest
mierzony na długości fali kanału optycznego, czy też poza nim. Pomiar poza
pasmem polega na wyznaczeniu poziomu szumu w pewnej odległości od kanału
optycznego; dalej postępuje się albo tak, że uznaje się zmierzony poziom szumu
równy temu, który występuje na długości fali danego sygnału lub wykorzystuje się
metodę interpolacyjną do wyznaczenia szumu na danej długości fali (rys. 9.1) [9.3].
Pomiary w paśmie polegają na określeniu wartości szumu na długości fali
analizowanego kanału optycznego. Jako przykładowe można wymienić następujące
metody: metodą opartą na analizie widma szumowego, metodę wykorzystującą
interferometr Macha-Zehndera, metodę wykorzystującą sygnał pilotowy oraz metodę
polaryzacyjną [9.4].
Analiza widma szumowego
W tej metodzie przeprowadza się pomiar mocy optycznej i mocy elektrycznej
szumu z wykorzystaniem miernika mocy optycznej i analizatora widma sygnału
elektrycznego. Po wyeliminowaniu składowych sygnału użytkowego i uwzględ-
nieniu częstotliwości modulacji można określić gęstość mocy szumu zdud-
nieniowego i na tej podstawie oszacować wartość OSNR [9.5].
Metoda wykorzystująca interferometr Macha-Zehndera
W tej metodzie zakłada się, że sygnały użytkowe są koherentne i w związku z tym
na wyjściu interferometru interferują ze sobą oraz, że szum ASE jest niekoherentny.
Odpowiednio regulując różnicę dróg optycznych w obu ramionach interferometru
możemy zmieniać poziom mocy optycznej sygnału użytkowego na wyjściu
interferometru przy stałej wartości szumu. Umożliwia to wyznaczenie poziomu
szumu i wartości OSNR [9.6].
Metoda wykorzystująca sygnał pilotowy
Metoda sygnału pilotowego jest prostą i tanią techniką monitorowania sygnału
w sieciach optycznych. W tej metodzie można wykorzystać technikę zwielokrot-
nienia podnośnych (SCM). W takim przypadku na danej nośnej, czyli danej
długości fali równocześnie przenoszony jest, obok ewentualnych sygnałów
użytkowych, sygnał testowy-pilotowy wykorzystywany tylko do analizy jakości
transmisji. Demultipleksacja przenoszonego sygnału odbywa się na drodze
elektrycznej. Po przeprowadzeniu analizy sygnału testowego za pomocą analizatora
widma elektrycznego możemy wyznaczyć wartość stosunku sygnału nośnej do
wartości szumu (ang. CNR - Carrier Noise Ratio). Przy założeniu, że szumy
fotodetektora są zaniedbywalnie małe możemy oszacować wartość OSNR za
pomocą następującej zależności [9.71:
B CNR
OSNR == ESA
I1Jo P f m 2
(9.1 )
238
Badanie jakości pracy systemów WDM
gdzie: B ESA - pasmo elektryczne analizatora widma elektrycznego, m - głębokość
modulacji podnośnej, a M'opt - pasmo optyczne.
W innym rozwiązaniu, opisanym w pracy [9.8], sygnały pilotowe o przebiegu
sinusoidalnym dodano do kanałów użytkowych. Dodanie sygnałów przeprowadzono
na drodze elektrycznej. Częstotliwości sygnałów pilotowych mieściły się w prze-
dziale od kilkudziesięciu do kilku MHz. Ta technika monitorowania umożliwiła
ocenę parametrów związanych z poziomem sygnału optycznego m.in. różnicy
poziomu mocy w poszczególnych kanałach czy też przesłuchu między kanałowego.
Co więcej, w połączeniu z pomiarem całkowitej mocy optycznej pozwala na
wyznaczenie wartości szumu ASE i OSNR. Prowadzone były również próby
wykorzystania tej metody do analizy położenia kanałów optycznych w dziedzinie
częstotliwości optycznej. W pracy [9.8] przedstawiono wykorzystanie tej techniki
do równoczesnego monitorowania mocy optycznej poszczególnych kanałów
optycznych w systemie WDM. Jako sygnał pilotowy wykorzystano sygnał
o częstotliwości zawartej w przedziale od 10,5 kHz - 20,25 kHz. Sumaryczny
sygnał optyczny miał postać [9.8]:
pet) == L [Pk + Pksin((Okt)]
k
(9.2)
gdzie: Pk - średnia wartość mocy optycznej w k-tym kanale optycznym, Pk - moc
sygnału pilotowego o pulsacji (Ok w k-tym kanale.
Po detekcji sygnał poddawany był próbkowaniu i przetworzeniu na sygnał
cyfrowy. Następnie przeprowadzono na nim szybką transformatę Fouriera. Co
pozwoliło na wyznaczanie wartości Pk dla każdej pulsacji (Ok. Znając stałą
wartość stosunku PJPb którą określono w części nadawczej, można było
wyznaczyć moc optyczną Pk w każdym z kanałów WDM.
Metoda polaryzacyjna
Przykładem takiej metody jest wyznaczanie OSNR na podstawie analizy wygaszania
spolaryzowanego sygnału. Wykorzystuje się tu fakt, że szum ASE jest nie-
spolaryzowany, z kolei sygnał użyteczny ma bardzo wysoki stopień spolaryzowania.
W pomiarze stosuje się kontroler polaryzacji i miernik mocy optycznej z filtrem
optycznym; filtr optyczny służy do wyboru analizowanego kanału optycznego
WDM. Przez odpowiednie ustawienie kontrolera polaryzacji zmienia się stan
polaryzacji światła sygnału użytkowego dochodzącego do miernika mocy optycznej.
Zmienia się go do momentu uzyskania na mierniku mocy optycznej wartości
minimalnej. Ze względu na to, że sygnał szumowy jest niespolaryzowany
wskazywana wartość informuje nas o wartości mocy szumu ASE. Następnie za
pomocą kontrolera polaryzacji jest ustawiany ortogonalny stan polaryzacji. Przy
takim ustawieniu wskazywany poziom mocy jest poziomem sygnału użytkowego
[9.9].
Metoda ta daje dość dobre wyniki dla systemów o przepływnościach, przy których
nie ujawnia swego negatywnego wpływu dyspersja polaryzacyjna. Zastosowanie
9. 1. Metody monitorowania
239
tej metody dla systemów o przepływnościach powyżej 10 Gbit/s może prowadzić
do uzyskania wyników obarczonych dużymi błędami.
Bardzo interesujące rozwiązanie pozwalające na jednoczesną analizę wartości
OSNR i dyspersji polaryzacyjnej przedstawiono w [9.10]. Na rysunku 9.2 pokazano
schemat omawianego tam układu pomiarowego.
V1
PD1
Tx
Skrambler
polaryzacji
D
M
U
X
.
.
.
.
.
.
.
.
.
PD2
V2
PBS
Filtr
optyczny
Rx
Rys. 9.2. Schemat układu pomiarowego służącego do równoczesnego monitorowania
OSNR i dyspersji polaryzacyjnej
Zasada działania opiera się na równoczesnym odbiorze sygnałów o wzajemnie
ortogonalnej polaryzacji. Przez pomiar zmian ortogonalnych sygnałów dokonywane
jest rozdzielenie efektów związanych z szumami (co pozwala na wyznaczenie
OSNR) i depolaryzacją sygnału (co pozwala na wyznaczenie dyspersji polaryzacyj-
nej). Sygnał WDM przed demultipleksacją poddawany jest procesowi skramblowa-
nia stanów polaryzacji. Po demultipleksacji sygnał optyczny danego kanału jest
rozdzielany na polaryzacyjnym dzielniku wiązki światła (ang. PBS - Polarization
Beam Splitter). W jednym z ramion jest umieszczony filtr optyczny o paśmie tak
dobranym, by nastąpiła możliwie maksymalna redukcja szumu ASE. Sygnały w obu
ramionach są zamieniane na sygnał elektryczny i wzmacniane. Wartości maksymal-
ne i minimalne mocy sygnałów w obu ramionach są odpowiednio równe [9.10]:
v;nax == Gl [Ps (1- D) + 0,5P N ]
v;nin == Gl [Ps D + 0,5P N ]
v ax == G 2 [P s (l- D) + 0,5 PN]
v in == G2[PsD+0,5 PN]
(9.3)
(9.4)
(9.5)
(9.6)
240
Badanie jakości pracy systemów WDM
gdzie: P N - moc szumu, Ps - moc sygnału, Gl - wzmocnienie sygnału w ramieniu 1,
G 2 -wzmocnienie sygnału w ramieniu 2, - współczynnik opisujący filtrację
szumu przez filtr optyczny, 8 - współczynnik opisujący depolaryzację sygnału
optycznego. Wartość OSNR jest równa [9.10]:
Gl V2- G2 VI
OSNR == - -
G 2 VI -Gl V 2
(9.7)
Współczynnik depolaryzacji jest równy [9.10]:
(l- ) (Vr ax - V 1m)
( Gl - - )
2 G 2 V 2 Ę, VI
8 == 0,5 1-
(9.8)
gdzie Vi == 0,5 (v ax + v in) jest wartością średnią napięcia w każdym z ramion;
przy czym i == 1,2.
Na rysunku 9.3 pokazano zależność zachodzącą między różnicowym opóźnieniem
grupowym (DGD) wywołanym przez dyspersję polaryzacyjną a współczynnikiem
depolaryzacji [9.10].
. -,...
0,2-
N
co
o
C-
O)
"'C
.:::t:.
C
0,1
N
()
-
'o
C-
C/)
S
I
20
40
60 DGD [ps]
Rys. 9.3. Zależność między
różnicowym opóźnieniem
grupowym (DGD)
a współczynnikiem
depolaryzacji
0,0
O
W przypadku badania systemów o dużych przepływności w kanałach optycznych
należy również pamiętać o konieczności monitorowania dyspersji chromatycznej.
Metody monitorowania dyspersji chromatycznej można podzielić na te" które
wykorzystują analizę sygnału po detekcji, czyli sygnału elektrycznego i te które
wykorzystują analizę sygnału optycznego. Do pierwszej grupy zaliczamy: monito-
rowanie widma sygnału elektrycznego (ang. monitoring electrical spectruln),
monitorowanie amplitudy sygnału pilotowego (ang. monitoring the amplitude oj
a pilot tone) oraz monitorowanie czasu opóźnienia między górną i dolną wstęgą
boczną (ang. monitoring the time delay between the upper and lOłver sidebands).
Najpopularniejszą metodą należącą do drugiej grupy jest metoda monitorowania
różnicy czasu propagacji (ang. d({ferential time domain 111ethod).
9. 1. Metody monitorowania
241
Monitorowanie widma sygnału elektrycznego
W tej metodzie podczas pomiaru do badanego światłowodu jest wprowadzany
sygnał optyczny zmodulowany amplitudowo sygnałem o częstotliwości im; zwykle
z zakresu od kilku do kilkudziesięciu GHz. Pod wpływem działania dyspersji
chromatycznej składowe sygnału, tj. dwie wstęgi boczne (są one zlokalizowane na
częstotliwościach + im W odniesieniu do nośnej) oraz sama nośna poruszają się
z różnymi prędkościami. Do fotoodbiomika dociera fala świetlna, której wypadkowa
amplituda zależy od fazy wstęg bocznych. Przy pewnych częstotliwościach
sygnału modulującego dyspersja światłowodu powoduje, że wstęgi boczne sygnału
mają przeciwną fazę, w wyniku czego następuje wygaszenie sygnału i amplituda
sygnału na wyjściu fotodetektora ma wartość zero [9.11].
Na rysunku 9.4 pokazano przykładowy przebieg widma elektrycznego sygnału
w funkcji częstotliwości modulującej. Przy różnych wartościach dyspersji chroma-
tycznej przebieg pokazany na rys. 9.4 jest przesunięty, tzn. zmienia się wartość
częstotliwości, przy których występuje minimum.
Gęstość widmowa mocy [dB]
10
o
-10
-20
6
10
Rys. 9.4. Przykład
przebiegu funkcji
przenoszenia
światłowodu w dziedzinie
14 Częstotliwość [GHz] częstotliwości
Znając częstotliwość możemy w prosty sposób określić wartość współczynnika
dyspersji posługując się w tym celu zależnością [9.11]:
(n- )c
D== ') ')
A "- I f, , 11
(9.9)
W podanej zależności f,n.11 jest częstotliwością, przy której występuje n-te minimum
w przebiegu funkcji przenoszenia światłowodu.
Monitorowanie amplitudy sygnału pilotowego
W tej metodzie wykonuje się pomiar poziomu sygnału pilotowego dodanego do
badanego sygnału optycznego. Na rysunku 9.5 pokazano fragment widma
elektrycznego sygnału po przejściu przez tor światłowodowy o różnej wartości
dyspersji chromatycznej [9.12].
242
Badanie jakości pracy systemów WDM
a
b
c
P"'"""'I
1,0 1,0 1,0
'--'
0,9 0,9 0,9
o
0,8 0,8 0,8
o O,? O,? O,?
E
:c 0,6 0,6 0,6 --------- SY9 at
pilot wy
: 0,5 0,5 0,5
o
......
0,4 0,4 0,4
O>
co 0,3 0,3 0,3
c:
0,2 0,2 0,2
o
. 0,1 0,1 0,1
E
g °0 5 10 °0 5 10 °0 5 10
N Częstotliwość [Hz] x10 10 Częstotliwość [Hz] x10 10 Częstotliwość [Hz] x10 10
Rys. 9.5. Widmo elektryczne z zaznaczonym poziomem sygnału pilotowego
Daje się tu zaobserwować, że wraz ze wzrostem dyspersji chromatycznej poziom
sygnału pilotowego zmniejsza się. Na tej podstawie można wyznaczyć zależność
zachodzącą między wartością sygnału pilotowego a dyspersją chromatyczną.
Monitorowanie czasu opóźnienia między górną i dolną wstęgą boczną
Metoda ta opiera się na wydzieleniu, poprzez odfiltrowanie dolnej lub górnej
częściowo stłumionej wstęgi bocznej (ang. vestigial sideband), sygnału i monito-
rowaniu przesunięcia fazy transmitowanego sygnału. Ze względu na to, że wstęgi
boczne zlokalizowane są na innych długościach fali, to w wyniku dyspersji
chromatycznej następuje przesunięcie fazy sygnału przenoszonego w dolnej i górnej
wstędze bocznej [9.13].
Monitorowanie różnicy czasu propagacji
Metoda ta polega na wprowadzeniu do badanego światłowodu dwóch impulsów
emitowanych na różnych długościach fali. Mierząc różnice czasu przejścia obu
impulsów w badanym światłowodzie oraz znając różnicę między długościami
emitowanych fal światła można określić wartość współczynnika dyspersji. W tym
celu posługujemy się następującą zależnością [9.3]:
d't
D==
dA' L
(9.10)
gdzie: dT - zmierzona różnica czasu przejścia impulsów światła przez światłowód
o długości L, dA - różnica między długościami emitowanych fal światła.
W tradycyjnym ujęciu w tej metodzie impulsy światła wprowadzano do jednego
końca, a pomiar różnicy czasu przejścia jest wykonywany na jego drugim
końcu. Możliwe jest jednak przeprowadzenie pomiaru przy dostępie tylko
do jednego końca światłowodu. W takim pomiarze jest wykorzystywany re-
9. 1. Metody monitorowania
243
Reflektometr
światłowodowy
Badany świtłowód
A 1, A2,..., An
I I
I I
J1L A1
I I
I I
ULA2
I I
I I
. 1 lo(
....
Rys. 9.6. Zasada pomiaru metodą
różnicy czasu propagacji
z wykorzystaniem reflektometru
światłowodowego
dT
t1ektometr światłowodowy pozwalający na generację impulsów o różnej długości fali.
Do analizy czasu przejścia impulsów wykorzystuje się to, że impulsy optyczne
wysłane z reflektometru po odbiciu od końca światłowodu (odbicie fresnelowskie)
docierają do odbiornika w różnym czasie. Na rysunku 9.6, w sposób schematyczny,
przedstawiono zasadę pomiaru różnicy czasu przejścia impulsów o różnej długości fali.
Przy dużych przepływnościach przekraczających 10 Gbit/s i w sytuacji, gdy
infrastruktura światłowodowa jest narażona na występowanie dwójłomności
indukowanej należy monitorowanie systemu WDM uzupełnić o pomiar parametrów
polaryzacyjnych toru światłowodowego. Wartość dyspersji polaryzacyjnej, nawet
w przypadku nowych kabli światłowodowych, potrafi się zmieniać w czasie
z powodu m.in. naprężeń mechanicznych. Ze względu na niedeterministyczny
charakter dyspersji polaryzacyjnej niezbędne okazuje się, w miarę możliwości,
ciągłe jej monitorowanie. Możemy posłużyć się metodą opisaną przy omawianiu
pomiaru OSNR lub jedną z dwóch metod, które umożliwiają analizowanie tego
zjawiska w warunkach eksploatacji systemu optotelekomunikacyjnego. Pierwsza
z nich to metoda interferometryczna (ang. inteiferometry method), a druga jest
oparta na wykorzystaniu polaryzacyjnej reflektometrii światłowodowej (ang.
POTDR - Polarization Optical Time Domain Rejlectometer).
Metoda interferometryczna
Metoda interferometryczna jest oparta na analizie funkcji autokorelacji pola
elektromagnetycznego na końcu badanego światłowodu w momencie wprowadzania
do światłowodu światła emitowanego przez źródło szerokopasmowe (diodę
elektroluminescencyjną lub źródło światła białego). Na rysunku 9.7 pokazano
układ pomiarowy wykorzystujący interferometr Micheisona.
Metoda interferometryczna sprowadza się do analizy poziomu mocy optycznej
w zależności od położenia zwierciadła ruchomego. Na rysunku 9.8 pokazano
wynik pomiaru, tzw. krzywą autokorelacji, uzyskaną dla przypadku, gdy badany
światłowód wykazuje słabe sprzężenie międzymodowe.
244
Badanie jakości pracy systemów WDM
Zwierciadło nieruchome
Polaryzator
Źródło
światła
Polaryzator
Polaryzator
Zwierciadło
ruchome
*
Rozdzielacz
wiązki światła
Badany
światłowód
Analizator
-t>t-
Fotoodbiornik
Rys. 9.7. Układ pomiarowy wykorzystujący interferometr Micheisona
Kontroler
Moc
optyczna
Różnicowe Różnicowe
I opóźnienie grupowe: opóźnienie grupowe I
. :
I
I
I
\
,
Czas
Rys. 9.8. Krzywa autokorelacji uzyskana dla przypadku, gdy badany światłowód
wykazuje słabe sprzężenie międzymodowe [9.14]
"
Srodkowy pik z rys. 9.8 powstaje w sytuacji, gdy długości ramion interferometru są
jednakowe, z kolei boczne piki pojawiają się, gdy w wyniku przesunięcia ruchomego
zwierciadła wprowadzone zostanie opóźnienie równe różnicowemu opóźnieniu
grupowemu badanego światłowodu. Na podstawie przebiegu zmiany mocy z rys. 9.8
określa się różnicowe opóźnienie grupowe za pomocą następującej zależności [9.14]:
2!1k
L gJ =
(9.11 )
c
-
9. 1. Metody monitorowania
245
gdzie: c - prędkość światła w próżni, a !1k - odległość na jaką przesunięto
zwierciadło ruchome od położenia, w którym obie drogi optyczne były sobie równe.
Odmienną sytuację mamy, gdy badamy światłowód charakteryzujący się silnym
sprzężeniem międzymodowym (rys. 9 9). Jest to przypadek najczęściej spotykany
przy pomiarach eksploatowanych łączy optotelekomunikacyjnych, różnicowe
opóźnienie grupowe określa się na podstawie analizy obwiedni (zakłada się, że jest
ona krzywą Gaussa) otrzymanego obrazu (rys. 9.9). Na tej podstawie wyznacza się
średniokwadratowe różnicowe opóźnienie grupowe [9.14]:
La r = (J 3
Ó' 4
(9.12)
gdzie (j - odchyłka standardowa
Moc
optyczna
Krzywa Gaussa
Czas
Rys. 9.9. Krzywa autokorelacji uzyskana w przypadku, gdy badany światłowód wykazuje
silne sprzężenie międzymodowe
lub
średnie różnicowe opóźnienie grupowe [9.14]:
Lgr = (J 2
, ]t
(9.13)
Polaryzacyjna reflektometria światłowodowa
Pomiary polaryzacyjno-reflektometryczne można podzielić na dwie podstawowe
grupy, tj. na pomiary z wykorzystaniem w nadajniku źródła światła generującego
falę ciągłą i na pomiary z wykorzystaniem w nadajniku impulsowego źródła
światła. W przypadku pierwszego typu pomiarów nie uzyskujemy informacji na
temat rozkładu wartości różnicowego opóźnienia grupowego (dyspersji polaryzacyj-
246
Badanie jakości pracy systemów WDM
nej) wzdłuż badanego traktu światłowodowego, lecz tylko wartość całkowitą
odnoszącą się do całego traktu.
Zdecydowanie bardziej interesującym przypadkiem pomiarów jest pomiar z użyciem
źródła impulsowego. Reflektometria polaryzacyjna z zastosowaniem źródła impul-
sowego pozwala na uzyskanie informacji dotyczącej lokalnych właściwości
polaryzacyjnych światłowodu. Umożliwia pomiar zmian dwójłomności światłowodu
oraz różnicowego opóźnienia grupowego w funkcji długości traktu światło-
wodowego. Możemy się spotkać z kilkoma odmianami reflektometrycznej metody
pomiaru rozkładu dyspersji polaryzacyjnej. Do najpopulamiejszych należy zaliczyć:
l. Zmodyfikowaną metodę stałego analizatora (ang. distributed fixed analyzer
method lub distributed wavelength scanning) [9.15].
2. Metodę opartą na pomiarze stopnia spolaryzowania wstecznie rozproszonego
światła [9.16].
3. Metodę opartą na pomiarze stanu polaryzacji wstecznie rozproszonego światła [9.17].
4. Metodę wykorzystującą pomiar mocy optycznej przy ustalonej polaryzacji
światła [9.18].
Zmodyfikowana metoda stałego analizatora
Ta metoda jest odmianą klasycznej metody stałego analizatora dostosowaną do
analizy wstecznie rozproszonego światła. Laserowe źródło światła jest przestrajane
w zakresie pulsacji /).0). Na wyjściu analizatora przebieg mocy optycznej określa
się następującą zależnością [9.15]:
1
TB(m) == - (1 + SBSO) (9.14)
2
gdzie: SB - wektor Stokesa opisujący stan polaryzacji wstecznie rozproszonego
światła docierającego do analizatora, a So - opisuje ustawienie analizatora.
Analiza przebiegu zmian T B w funkcji częstotliwości pozwala na określenie liczby
występujących w nim ekstremów (rys. 9.10). Na podstawie pomiaru liczby
ekstremów występujących w przebiegu światła rozproszonego wstecznie można
wyznaczyć wartość średniego różnicowego opóźnienia grupowego [9.15]:
N e
1: g ,t == K (9.15)
/).m
przy czym K == ] ,648.
N =?
e
N = 9
e
N =12
e
Rys. 9.10. Przykładowe zmiany liczby ekstremów występujących w przebiegu sygnału
rozproszonego wstecznie dla różnych długości światłowodu; N e - liczba ekstremów
9. 1. Metody monitorowania
247
Metoda oparta na pomiarze stopnia spolaryzowania wstecznie rozproszonego światła
Ta metoda pomiaru polega na wyznaczeniu wartości stopnia spolaryzowania
rozproszonego wstecznie światła i na tej podstawie oszacowania tzw. długości
sprzężenia. Mając określoną wartość długości sprzężenia można określić poziom
różnicowego opóźnienia grupowego [9.16]. W tej metodzie w części odbiorczej
stosuje się polarymetr pozwalający na wyznaczenie parametrów wektora Stokesa
(Sa, Sb S2 i S3). Znajomość parametrów Stokesa pozwala na określenie stopnia
spolaryzowania światła rozproszonego w funkcji długości badanego toru światło-
wodowego. Stopień spolaryzowania światła (DOP) wyznacza się z następującej
zależności [9.3]:
Sf+S +S
DOP=
Sa
(9.16)
Jego wartość dla światła wprowadzanego do światłowodu ze źródła laserowego
wynosi 100% (DOP = 1). Jednakże wartość zmierzonego stopnia spolaryzowania
światła rozproszonego wstecznie bardzo silnie zależy od relacji zachodzącej
między tzw. długością zdudniania i długością sprzężenia. Przez analizę statystyczną
stopnia spolaryzowania światła możemy określić w trakcie światłowodowym
odcinki wykazujące dużą wartość sprzężenia, co wskazuje na wysokie praw-
dopodobieństwo występowania dużej wartości dyspersji polaryzacyjnej.
Ta metoda nie pozwala na określenie konkretnej wartości dyspersji polaryzacyjnej
danego odcinka światłowodu, ale jedynie daje możliwość oszacowania, czy dany
odcinek światłowodu charakteryzuje się małym, średnim czy też dużym poziomem
wartości dyspersji polaryzacyjnej.
Metoda oparta na pomiarze stanu polaryzacji wstecznie rozproszonego światła
Zasada pomiaru sprowadza się do określenia stanu polaryzacji rozproszonego
wstecznie światła, w związku z czym część odbiorcza układu pomiarowego musi
być wyposażona (podobna jak w poprzedniej metodzie) w polarymetr umożliwiający
określenie wartości parametrów wektora Stokesa. Na podstawie pomiaru stanu
polaryzacji światła rozproszonego są określane wartości takich parametrów
światłowodu jak: dwójłomność lokalna oraz kąt dwójłomności, tj. kąt zawarty
między tzw. osią szybką i osią OX układu odniesienia.
Wyjściowy wektor Stokesa Swy jest równy [9.17]:
SWY = JT JS we
(9.17)
gdzie: J - macierz Jonesa odcinka światłowodu, a JT - macierz transponowana
macierzy J. Jeżeli założymy, że tor światłowodowy składa się z N odcinków, to
macierz Jonesa tego toru jest równa iloczynowi N macierzy Jonesa poszczególnych
odcinków.
248
Badanie jakości pracy systemów WDM
Macierz Jonesa i-tego odcinka światłowodu jest opisana zależnością [9.17]:
( biL eł ) ( biLe! )
cos 2 + j sin 2 cos (28 i )
J. =:
l . . ( b i Le! ) . 8
J SIn 2 sln(2 H ;)
. . ( biLe! ) . (28 )
J SIn 2 SIn H i
( b i Le! ) .. ( b i Le! ) 8
cos 2 - J SIn 2 cos (2 H i)
(9.18)
gdzie: b i - dwójłomność lokalna, 8 i - kąt dwójłomności, a L eł - długość odcinka
światłowodu.
W celu prawidłowego wyznaczenia parametrów b i 8 danego odcinka światłowodu
jest wymagane przeprowadzenie przynajmniej trzech pomiarów dla różnych stanów
polaryzacji sygnału wejściowego [9.17].
Metoda wykorzystująca pomiar mocy optycznej przy ustalonej polaryzacji światła
W tej metodzie wyznacza się przebieg echogramu przy różnym ustawieniu
umieszczonego na wyjściu reflektometru elementu pełniącego równocześnie
funkcję polaryzatora (dla sygnału nadawanego) i analizatora (dla sygnału
odbieranego). Jeżeli kąt ustawienia polaryzatora/analizatora wynosi 8, to
odbierana moc optyczna rozproszonego wstecznie światła dla punktu z wynosi
[9.18]:
Pa (z) = [I +A(Z)2+B(dcos(48)-C(dcos(48) +
2
+ 2B (z) C(z) sin (28)cos (28)]
(9.19)
gdzie: A, B i C - macierze Jonesa opisujące właściwości polaryzacyjne światłowodu
dla sygnału optycznego rozproszonego wstecznie.
W celu wyznaczenia różnicowego opóźnienia grupowego niezbędne jest określenie
wartości długości sprzężenia i długości zdudnienia. W prezentowanej metodzie
wartość długości sprzężenia i długości zdudniania określa się na podstawie analizy
statystycznej echogramu.
9.2. Przyrządy pomiarowe
W tabeli 9.3 pokazano wymagania jakie stawia się urządzeniom pomiarowym
przeznaczonym do monitorowania systemów WDM [9.2].
W tabeli 9.4 pokazano zakresy stosowalności podstawowego sprzętu po-
miarowego przeznaczonego do monitorowana parametrów sygnału optycznego
[9.2] .
OL
9.3. Przykład projektowania systemu monitorowania
249
Tabela 9.3. Wymagania pomiarowe dla urządzeń monitorujących
Parametr Dokładność Powtarzalność Zakres pomiarowy
Całkowita moc + 0,2 dB - -
optyczna
Moc optyczna + 0,4 dB + 0,2 dB (- 80 -:-- 23) + straty wyjścia
w kanale optycznym monitorującego [dBm]
Długość fali + 0,5 pm - -
OSNR + 0,4 dB OSNR < 20 - 0-:--42 dB dla odstępu
+ 0,7 dB OSNR < 30 między kanałami 100 GHz
0-:--28 dB dla odstępu
między kanałami 50 GHz
Parametr Q + 1 0% + 5% od 4 do 14
Tabela 9.4. Zakresy stosowalności podstawowego sprzętu pomiarowego
Zakłócenia Zakłócenia Zmiana Zniekształcenia
pochodzące kształtu
Moc zachodzące położenia
Urządzenie spoza sygnału
optyczna w paśmie kanału
pasma w dziedzinie
sygnału optycznego
sygnału czasu
Miernik mocy + -
- - -
optycznej
Analizator widma + + +* -
-
optycznego
Analizator wykresu + + + - +
oczkowego
Miernik elementowej + + + - +
stopy błędu
Miernik długości fali + + -
- -
Reflektometr + - -
- -
światłowodowy
* wymagana jest odpowiednio duża rozdzielczość
9.3. Przykład projektowania systemu monitorowania
Do prawidłowej pracy systemy transmisji WDM potrzebują systemu monitorującego
zdolnego do dokładnego wykrywania i lokalizacji różnego typu uszkodzeń.
W zależności od typu sprzętu wykorzystywanego do monitorowania, jego położenia
w sieci i architektury samej sieci mogą być zbierane różne rodzaje informacji
o kondycji sieci. Może okazać się, że zbierane informacje dublują się lub też, że
pewne z nich niezbędne do właściwej oceny jakości pracy systemu nie są zbierane.
250
Badanie jakości pracy systemów WDM
Poza tym, może zdarzyć się sytuacja, że zniekształcony w wyniku pewnych
nieprawidłowych działań systemu sygnał optyczny propagując się przez sieć może
przyczyniać się do tworzenia wielu sytuacji, które wywołują w systemie zarządzania
siecią alarmy. Pojawia się tu bardzo istotny problem - problem optymalnego
rozmieszczenia w sieci telekomunikacyjnej przyrządów pomiarowych (monitorów)
a
Węzeł 1
Węzeł 2
Węzeł 3
Węzeł 6
Węzeł?
Węzeł 8
b
Węzeł 1
LP1
LP1
/
/
,
/
/
,
/
,
/LP3
/
/
/
/
Węzeł 6
Węzeł?
Węzeł 8
@ urządzenie monitorujące
Rys. 9.11. Analizowana sieć: a) topologia, b) układ ścieżek LP1, LP2 i LP3
9.3. Przykład projektowania systemu monitorowania
251
z możliwością wykrywania możliwie jak największej liczby ewentualnych uszko-
dzeń bez dublowania wyników pomiarów.
Dalej przedstawiono prosty przykład optymalnego rozmieszczenia urządzeń
monitorujących. Dla uproszczenia przyjęto, że mierzona jest tylko moc optyczna,
a węzły sieci są pozbawione możliwości zbierania danych o pracy systemu.
W przedstawianym w pracy [9.19] rozwiązaniu algorytm umieszczania mierników
mocy optycznej składa się z dwóch części. W pierwszej części jest tworzona
macierz alarmów raportujących uszkodzenia z uwzględnieniem propagacji w sieci
skutku danego uszkodzenia i określeniem zestawu alarmów raportujących
uszkodzenie danego elementu sieci optycznej. Każdy rząd macierzy reprezentuje
wektor alarmów. Wektor alarmu jest określony dla każdego elementu sieci;
wykorzystuje się tu informacje na temat topologii sieci i zestawianych optycznych
ścieżek połączeniowych. Wstępnie zakładamy, że w każdym porcie wejściowym
węzła sieci jest ustawiony miernik mocy. Uzyskana dla takiej sytuacji macierz
informująca o uszkodzeniach reprezentuje przypadek będący górną granicą
raportowania uszkodzeń. Następnie w tak skonstruowanej macierzy raportowania
uszkodzeń usuwane są zbędne informacje. Przeprowadza się to usuwając rzędy
macierzy z zerowymi wektorami i grupując takie same rzędy macierzy do jednej.
W drugiej części określane jest optymalne rozmieszczenie urządzeń monitorują-
cych. Jest to robione przez usunięcie nadmiarowych informacjL zawartych
w kolumnach, w stworzonej w pierwszym etapie macierzy raportowania uszko-
dzeń. Kolumny reprezentują urządzenia monitorujące. Kolumna może być
usuwana jedynie wtedy, gdy po takim usunięciu żaden z rzędów macierzy nie staje
się wektorem zerowym i wszystkie rzędy macierzy pozostają różne. Dalej
przedstawiono, na prostym przykładzie, optymalizację rozmieszczenia monitorów
opartą na przedstawionym sposobie postępowania. Na rysunku 9.1la pokazano
topologię analizowanej sieci, a na rys. 9.11 b pokazano układ ścieżek nałożony na
daną sieć.
Zakłada się, że ustawione są trzy optyczne ścieżki połączeniowe: LPl, LP2 i LP3.
Są one poprowadzone w następujący sposób:
LPI: węzeł 1 - węzeł 2 - węzeł 3,
LP2: węzeł 1 - węzeł 4 - węzeł 2 - węzeł 5 - węzeł 3,
LP3: węzeł 6 - węzeł 4 - węzeł 2 - węzeł 5 - węzeł 8.
Na początku określamy tzw. górną granicę raportowania, czyli przyjmujemy, że
urządzenia monitorujące są umieszczone w każdym porcie wejściowym wykorzys-
tywanego węzła sieci. Etykiety urządzeń monitorujących M to: M l, M2, M3, M4,
M5, M6, M7 i M8 (rys. 9.11b).
Na podstawie topologii sieci, ścieżek optycznych i umieszczenia urządzeń
monitorujących jest tworzona macierz raportowania uszkodzeń. Ma ona następującą
,,-
postac.
252
Badanie jakości pracy systemów WDM
Uszkodzenie M1 M2 M3 M4 M5 M6 M7 M8
FN1 1 1 1 1 1 1 O O
FN2 O 1 O O 1 1 O 1
FN3 O O O O O O O O
FN4 O O O 1 1 1 O 1
FN5 O O O O O 1 O 1
FN6 O O O 1 1 O 1 1
FN2 O O O O O O O O
FN2 O O O O O O O O
Następnie zgodnie z opisaną procedurą usuwane są niepotrzebne rzędy macierzy.
W wyniku tego otrzymujemy następującą postać macierzy raportowania uszkodzeń.
Uszkodzenie M1 M2 M3 M4 M5 M6 M7 M8
FN1 1 1 1 1 1 1 O O
FN2 O 1 O O 1 1 O 1
FN4 O O O 1 1 1 O 1
FN5 O O O O O 1 O 1
FN6 O O O 1 1 O 1 1
Dalej, zgodnie z opisanym sposobem postępowania, usuwane są nadmiarowe
kolumny macierzy i otrzymujemy następującą postać macierzy.
Uszkodzenie M4 M5 M7 M8
FN1 1 1 O O
FN2 O 1 O 1
FN4 1 1 O 1
FN5 O O O 1
FN6 1 1 1 1
Usunięto urządzenia monitorujące MI, M2, M3 i M6, z których otrzymuje się
informacje dublujące już wcześnie uzyskane z innych urządzeń monitorujących.
Dzięki temu redukujemy o połowę liczbę urządzeń monitorujących. Na rysunku
9.12 pokazano optymalne rozmieszczenie urządzeń monitorujących poziom mocy
optycznej.
Literatura
253
Węzeł 1
Węzeł 6
LP1
Węzeł 21
Węzeł 3
LP1
LP2 ....
Węzeł?
Węzeł 8
@ urządzenie monitorujące
Rys. 9.12. Optymalne rozmieszczenie urządzeń monitorujących
Literatura
[9.1 J
[9.2]
[9.3]
[9.4]
[9.5]
[9.6]
[9.7]
[9.8]
[9.9]
[9.10]
[9.] 11
A. L. J. Teixeira i inni: Asynchronous optical perlonnanee nIol1itoril1g teehnique Jor D\VDM
optieal network. Proceedings of ICTON 2002, 4 International Conference on Transparent
Optical Networks. Warszawa (Polska) 2002
Zalecenie ITU-T G. 697: Opticall1101litoring Jor D\;VDM s)'stel1IS, 2004
K. Perlicki: Ponliary w optycznych systel11ach teleko111Ul1ikaL)jnych. WKŁ, Warszawa 2002
L. K. Chen i inni: PerJor1llance I1lonitoring il1 transparent recol figurable WDA1networks. Acta
Optica Sinica, vol. 23, nr 0253-2239, str. 689-690, 2003
C. J. Y oun i inni: OSNR ln01Iitoring technique based on orthogonal delayed-hol110dYl1e 11lethod.
IEEE Photonics T echnology Letters, vol. 14, nr 10, str. ] 469-1471, 2002
Z. Tao i inni: lvfonitoring of OSNR by using a Mach-Zelulder interJerol1leter. Microwave and
Optical Technology Letter, vol. 30, nr l, str. 63-65, 2001
G. Rossi i inni: Optical perfor1nance I1UJllitoril1g il1 recol figllrable WDl\4 opticalnenvorks using
subcarrier nIultiplexing. Journal of Lightwave Technology, vol. 18, nr 12, str. ]639-1648,2000
K. J. Park i inni: A Silnple Monitoring Technique for WDM Netlvorks. Proceedings of
OFC/IOOC 1999, Optical Fiber Communication Conference and the International Conference
on Integrated Optics, Anaheim (Stany Zjednoczone) 1999
J. H. Lee i inni: OSNR 11Ionitoring technique lIsing polarizatiol1-/111lling 11lethod. IEEE Photonics
Technology Letters. vol. 13, nr l, str. 88-90, 2001
L. S. Yan i inni: Sitnllltaneous lnonitoril1g ( f both optical signal-to-noise ratio al1d polarization-
-mode dispersion using polarization scranlbling and polarization beanI splitting. Journal of
Lightwave Technology, vol. 23, nr 10, str. 3290-3294. 2005
B. Christensen i inni: Sil1lple dispersioll meaSllre111ent technique i'ith high resolutiol1. Electronics
Letters, vol. 29, nr l, str. 132-] 34, 1993
254
Badanie jakości pracy systemów WDM
[9.12]
[9.13]
[9.14]
[9.15]
[9.16]
[9.] 7]
[9.] 8]
[9.] 9]
M. N. Petersen i inni: Dispersion lnonitoring and compensation using a single in band subcarrier
tone. Proceedings of OFC 2001, Optical Fiber Communication Conference, Anaheim (Stany
Zjednoczone) 2001
Y. Qian i inni: Chromatic dispersion lnonitoring technique using sideband optical filtering and
clock phase-shift detection. Journal of Lightwave Technology, vol. 20, nr 12, str. 2267-2271, 2002
F. Audet: PMD: The interferolnetric lnethod, Application Note. (Materiały firmy EXFO), 2001
I. Kamonov, T. Li: Optical Fiber telecolnlnunications IVB. Systems and itnpairments. Academic
Press, San Diego, 2002
B. Huttner i inni: Distributed PMD measurement with a polarization-OTDR in optical fibers.
J ournal of Lightwave Technology, vol. 17, nr 10, str. 1843-1848, ] 999
M. Wuilpart i inni: Fully-distributed polarization properties oj an optical fiber using the
backscattering technique. Applications of Photonic Technology 4, Proceedings of SPIE, vol.
4087, 2000
M. Wuilpart i inni: PMD lneasurelnent with a polarizatiol1-0TDR. Proceedings of ECOC 2002,
28 European Conference on Optical Communications, Kopenhaga (Dania) 2002
S. Stanic i inni: On lnonitoring transparent optical l1etworks. Proceedings of ICPPW 2002,
International Conference on ParalI el Processing W orkshops, Vancouver (Kanada) 2002
Ważniejsze skróty
3R
ASE
AWG
BER
CWDM
DBR
DCF
DFA
DFB
DGD
DWDM
ETSI
FEC
FWM
laDI
IP
IrDI
ITU
LED
MEMS
MLL
MLM
MPLS
NF
NRZ
OADM
(ang. Reampl fication, Reshaping, Retil1zing) - wzmocnIenIe sygnału, odtworzenie kształtu
sygnału, odtwarzanie sygnału zegarowego
(ang. Amplified Spontaneous Emission) - wzmocnieniowa emisja spontaniczna
(ang. Arrayed Waveguide Grating) - szyk siatek falowodowych
(ang. Bit Error Rate) - elementowa stopa błędu
(ang. Coarse WDM) - grube zwielokrotnienie falowe
(ang. Distributed Bragg Ref/ector) - rozłożony reflektor Bragga
(ang. Dispersion COlnpensating Fiber) - światłowód kompensujący dyspersję chromatyczną
(ang. Doped Fiber Ampl fier) - wzmacniacz optyczny oparty na domieszkowanym
światłowodzie
(ang. Distributed FeedBack) - rozłożone sprzężenie zwrotne
(ang. Differential Group Dela)') - różnicowe opóźnienie grupowe
(ang. Dense WDM) - gęste zwielokrotnienie falowe
(ang. European TelecOl1Ullunicatiol1s Standards lnstitute) - Europejski Instytut Norm
Telekomunikacyjnych
(ang. FOJ1;vard Error Correction) - korekta błędu w przód
(ang. Four Wave Mixing) - mieszanie czterofalowe
(ang. lntra-Dolnain Interface) - interfejs wewnątrz danej domeny
(ang. Internet Protocol) - protokół internetowy
(ang. lnter DOlnain Interface) - interfejs między różnymi domenami
(ang. International Telecolnlnunicatiol1 Union) - Międzynarodowa Unia Telekomunikacyjna
(ang. Light Elnitting Diode) - dioda elektroluminescencyj na
(ang. MicroElectoMechanical Systems) - systemy mikroelektromechaniczne
(ang. Mode Locked Laser) - laser z synchronizacją modową
(ang. Multi Longitudinal Mode) - laser wzdłużnie wielomodowy
(ang. MultiProtocol Label Switching) - technika transmisyjna oparta na komutacji etykiet
(ang. Noise Figure) - współczynnik szumu
(ang. Non Return to Zero) - bez powrotu do zera
(ang. Optical Add Drop Multiplexer) - optyczna krotnica transferowa
256
Ważniejsze skróty
OCDM
ODU
OLT
ONE
ONU
OPU
OSC
OSNR
OTN
OTU
OXC
PMD
PON
SBS
SCM
SDH
SLM
SOA
SRS
RZ
TDM
VCSEL
WDM
XPM
(ang. OpticlII Code Divisiol1 Multiplexing) - optyczne zwielokrotnienie kodowe
(ang. Optical channel Data Unit) - jednostka danych kanału optycznego
(ang. Optical Line Tennination) - jednostka zakończenia łącza optycznego
(ang. Optical Nern 7 0rk Elelnent) - element sieci optycznej
(ang. Optical Network Unit) - jednostka sieci optycznej
(ang. Optical channel Payload Unit) - jednostka pola użytkowego kanału optycznego
(ang. Optical Supervisory Channel) - kanał nadzorczy
(ang. Optical Signal-to-Noise Ratio) - optyczny stosunek sygnału do szumu
(ang. Optical Transport Network) - optyczna sieć transportowa
(ang. Optical channel Transport Unit) - jednostka transportowa kanału optycznego
(ang. Optical Cross Connector) - przełącznica optyczna
(ang. Polarization Mode Dispersion) - dyspersji polaryzacyjnej
(ang. Passive Optical Netvvork) - pasywna sieć optyczna
(ang. Stimulated Brillouin Seattering) - wymuszone rozpraszanie Brillouina
(ang. SubCarrier lvfultiplexing) - zwielokrotnienie podnośnej
(ang. Synchronous Digital Hierarchy) - Synchroniczna Hierarchia Systemów Cyfrowych
(ang. Single LOl1gitudinal Mode) - laser wzdłużnie jednomodowy
(ang. Semiconductor Optical Alnpl fier) - optyczny wzmacniacz półprzewodnikowy
(ang. Stilnulated Ralnan Seattering) - wymuszone rozpraszanie Ramana
(ang. Return to Zero) - z powrotem do zera
(ang. Titne Division lvfultiplexing) - zwielokrotnienie czasowe
(ang. Vertical-Cavity Surlace-Elnitting Laser) - laser z pionową wnęką elllitujący
powierzchniowo
(ang. Wavelength Division lvfultiplexing) - zwielokrotnienie falowe
(ang. Cross Phase Modulation) - skrośna modulacja fazy