Одна из методик внедрения систем со спектральным уплотнением на действующих линиях связи железнодорожного транспорта Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Одна из методик внедрения систем со спектральным уплотнением на действующих линиях связи железнодорожного транспорта

Зелютков ЕА,

Ведущий инженер отдела планирования и оптимизации транспортной сети Московкого региона,

ОАО “ВымпелКом"

ОБЩАЯ ПРОТЯЖЕННОСТЬ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННЫХ СИСТЕМ, ПОСТРОЕННЫХ НА ОСНОВЕ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ КАБЕЛЕЙ, СОСТАВЛЯЕТ 52,5 ТЫС. КМ [1]. НА СЕТИ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА РОССИИ ВСЕ 17 ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ - ФИЛИАЛЫ ОАО "РЖД", ОБЕСПЕЧЕНЫ ВЫСОКОСКОРОСТНЫМИ ЦИФРОВЫМИ КАНАЛАМИ ПРОПУСКНОЙ СПОСОБНОСТЬЮ ДО 10 Гбит/с.

Использование технологии DWDM, позволяющей многократно увеличить пропускную способность существующих телекоммуникационных систем на оптическом волокне по рекомендации МСЭ-Т G-652 без прокладки дополнительных кабелей и установки на каждое волокно нового мультиплексного оборудования уже реализуется на ОАО "РЖД".

Согласно [2] основным ограничением по длине регенерационного участка являются дисперсионные искажения. Учитывая то, что пре передаче на большие расстояния оптические волокна работают в диапазоне длин волн 1460-1625 нм, следует обратить внимание на основные исходные данные.

Как известно [3] оптические волокна типа G-652, G-655 по рекомендации МСЭ-Т имеют разные значения дисперсионного параметра на длине волны 1,55 мкм. Оптические волокна типа G-652 (A, B, C, D) имеют значение D = 16-18 пс/нм^км, а волокно G-655 имеет значение D = 3-10 пс/нм^км. Поэтому, первый путь увеличения длины регенерационного участка без компенсации дисперсии на ОВ типа G-652 — это его замена на ОВ типа G-655 [4].

Однако, это перспективно при новом строительстве, что позволит уменьшить число оптических усилителей при большей длине усилительных и регенерационных участков. В этом случае, если оптический кабель

с оптическим волокном типа 0-652 по рекомендации МСЭ-Т уже проложен, возможен второй способ сохранения длины участка регенерации без компенсации дисперсии.

Ранее мы определили, что коэффициент затухания на длине волны X =1,55 а=0,25 дБ/км. Энергетический потенциал составляет 5 = 27 дБ при скорости передачи 10 Гбит/с. Запас на старение аппаратуры и ремонт оптического кабеля $1=6 дБ. Затухание разъемного соединения ар = 0,2 дБ, а затухание неразъемного соединения анр = 0,1 дБ при средней строительной длине оптического кабеля 2 км.

В результате длина участка регенерации по затуханию:

г 27 - б - 2 x 0,2 -1 „

L =----------------------= 78,4км.

0,25 +

0,1

0,2

Величина в 1дБ отводится на штраф по дисперсии.

С учетом этой длины, желательно ее пройти без компенсации и предварительного усиления. Согласно [2] дисперсионная длина определяется:

Т2

Ьп = —, км.

Д в

Так, для скорости передачи 10 Гбит/с она составляет:

Ьд = 57,6 км.

При этом потери на дисперсию в 1 дБ будут при длине ОВ I = 44,2 км. Это будет соответствовать действительности при формате модуляции NRZ (без возврата к нулю).

При других форматах модуляции значение I будет меньше 44,2 км. Полученное значение расстояния I = 44,2 км будет соответствовать не только значению потерь 1 дБ на дисперсию, но и вероятности ошибки на приеме Кош = 10-9 при отношении сигнал/ шум, равном при передаче 0 Q=6, а при передаче 1 Q=12. При вероятности ошибки Кош = 10-10 Q=6,4 при передаче 0, и 12,8 при передаче 1, а расстояние I уменьшится до 41,6 км. При расчетах использовалось значение дисперсии групповых скоростей ОВ 0-652, равные Р2 = 21,7 пс2/км, и

Т Тб

Т = ^Г“,

где Tg — битовый интервал для формата NRZ. В случае наличия начальной линейной частотной модуляции гауссовского импульса длина I может измениться в рассматриваемом диапазоне длин волн в сторону увеличения и отношение z/Lд будет больше 1:

С +V1 + 2С 2

Ь

Д

где C — параметр вводимой линейной модуляции.

Требуется внедрить плотное спектральное уплотнение на п каналов при переходе с основной передачи 10 Гбит/с на п •ІО Гбит/с.

Следует рассмотреть задачу при работе одноволновой передачи на длине волны X = 1,55 мкм, которая решена при следующих условиях:

1. Используется оптическое волокно 0-652 по рекомендации МСЭ-Т с характеристиками затухания на длине волны X = = 1,55 мкм а = 0,25 дБ/км, хроматической дисперсии D = 17 пс/нм^км; поляризационной модовой дисперсии, равной 0,5 п^,—,

/ -\/км

а эффективная площадь модового поля равна 80 мкм2. Это характеристики оптического волокна.

Заменяя аппаратуру и ее модернизируя, требуется использовать узкополосные источники, когда АХ < 0,025 нм, и, во-вторых, используя на каждом канале на источ-

нике линейную модуляцию. Например, С = 0,707 в данном окне прозрачности X = 1,55 мкм. При применении п = 8;16;32 каналов и учете нелинейного показателя преломления П2 = 2,6^ 10-20 м/Вт.

Следует определиться также с расстоянием между каналами. Оптимальным расстоянием между каналами является расстояние 100 ГГц, то есть 0,8 нм. В этом случае при появлении нелинейных эффектов на каналы не будут влиять: фазовая кросс-модуляция и четырехволновое смешивание.

Мощность источника излучения принимается 1 мВт в канале.

Решая данную задачу необходимо определить: дисперсионную длину, длину участка по затуханию, нелинейную длину, эффективную длину, длину участка по поляризационной дисперсии.

При создании одноволновой системы использовался формат модулции NRZ (невозврата к нулю) без вводимой линейной модуляции.

При этом расстояние между пунктами усиления (регенерации) составляли при скорости передачи 10 Гбит/с без компенсаторов дисперсии при вероятности ошибки на входе приемника 10-10 ^=6,4)

4,62 • /п • dм

I = ------= 41,6,

2

где dм — коэффициент заполнения битового интервала для NRZ dм = 1.

В результате, штраф по дисперсии будет составлять 0,9 дБ.

При равенстве I = lдQ = 4,62, что соответствует вероятности ошибки BER = 10-6, и приемник может не распознать этот сигнал.

Ясно, что протяженность данной линии определяется не затуханием, а дисперсией, так как длина по затуханию определилась и составила:

Ь =

£ - 2ар - ад - ^

асш +

I

Sз — запас на ремонт и старение аппаратуры и ОВ, равный 3 дБ;

В результате,

Ь =

27 - 0,4 - 0,9 - 6

0,25 +

0,1

2

= 65,7км.

Ранее было принято решение ставить усилители без компенсаторов дисперсии на расстоянии 40 км.

В результате, предкомпенсацию дисперсии потребовалось на каждом усилителе (типа 2R) на длину, равную 40 км.

При 5 усилителях было пройдено расстояние 240 км.

Все это явилось исходными данными для внедрения на этой линии спектрального уплотнения на 32 канала со скоростью 10 Гбит/с.

Дисперсионная длина без параметра линейной модуляции известна и равна 57,6 км. Введение линейной модуляции позволяет увеличить дисперсионную длину в ~1,5 раза и перейти на формат модуляции RZ. При переходе на формат модуляции RZ 0,67 дисперсионная длина уменьшится:

_ 2 г] 2

Ь = _—м = 25,9 км = 26 км.

Й 8 &

Можно ли пройти расстояние большее с большим числом усилителей, не увеличивая расстояние между усилителями?

Для этого следует обратить внимание на поляризационную дисперсию. Для проложенного оптического волокна 0-652 МСЭ-Т она составляет 0 5

Допустимая норма на поляризационную модовую дисперсию составляет 0,1 Т6.

0,5

1_6)2 - п ■ ПМД2 - к■ПМД2,

где 5 — энергетический потенциал системы, дБ;

ар — затухание на разъемных соединениях, равное 0,3 дБ;

анр — затухание на неразъемных соединениях, равное 0,1 дБ;

1с — строительная длина, равная 2 км;

ад — штраф по дисперсии, равный 0,9 дБ;

где I — длина регенерации, км; п — число оптических усилителей; к — число компенсаторов ПМД ПМД — ПМД усилителей ~1,0 пс; ПМДК — ПМД компенсаторов ~1,0 пс. Обычно п = к и ПМДу ~ ПМД к В результате:

0,5 <

- 2п ШІ = 0,6,2„в^^км

0,5 пс/ < /100 2п 1 = 0,48 пс/

/км V 320 / Л/км

где п = 8.

а

н.р

Для нашей системы Т6 = 100 пс для формата NRZ. Сколько можно поставить усилителей при увеличении расстояния до 360 км?

Можно поставить только 8 усилителей по ПМД при полученных параметрах. Уменьшение ПМД до 0,2 пс/ км и 0,1 пс/км позволяет получить запас по ПМД и нет необходимости ее компенсировать при скорости передачи 10 Гбит/с для рассматриваемого расстояния.

Для увеличения расстояния вводится на каждом канале начальная линейная модуляция.

При С = 0,707 1д = 25,86-1,44 = = 36,6 км 40 км.

Так как

L = Lc(1 + с2) - 0,708 , L =

Lc

C

1

0,7б7

z = L^^ = Lr С Lд = 1,414- Lc.

Отсюда

2 = 4,6236,6 = 6,4 26,1

с вероятностью ошибки 10-10.

При этом требуется дополнительная компенсация дисперсии не на 40 км, а 50 км без учета нелинейных эффектов.

Учитывая мощность сигнала на канал, вычислим нелинейные эффекты, в частности, только самофозовую модуляцию:

1НЛ =

1

Y =

YP0 n22n А0Аэфф Вт- км

1 -= 13,1б- 1

Вт км

Аэфф = 80 мкм2 для ОВ G-652 МСЭ-Т n2 = 2,6^ 10-20 м2/Вт — нелинейный показатель преломления ОВ.

В результате

м2, „-20 „-8 мкм2

Y =

2, б б, 28—10-2010 ________Вт__________Вт

-13,1б —

1

Вт км

Определяем нелинейную длину для данного варианта

1

-= 7б км.

13,16 Вт км 1 мВт Определяем эффективную длину

1 (1 _ е~а • 1ус) 1

1эфф =-!— ---------1«- = 17,4 км.

а /ус а

Самофазовая модуляция будет определяться как

Ьфф = 0,228

а l

Ус

с = 2Фтах = -0,45б.

а 7б

Учитывая линейную модуляцию и само-фазовую модуляцию, оптимальная длина между усилителями будет определяться для формата модуляции RZ как:

4пт =4 ^нл' L = V76-40 = 55 км.

В результате, при расстоянии между усилителями 40 км компенсировать следует 40 км ОВ, через усилитель 15 км, а при расстояниях 80 км следует компенсировать 15 км на каждом усилителе.

Выводы

При переходе на DWDM на действующих линиях связи, построенных на ОВ

0-652А по рекомендации МСЭ-Т на скорости передачи 10 Гбит/с на одной волне 1,55 мкм необходимо:

1. Определить тип оборудования и вид применяемого кода NRZ или RZ.

2. Остановиться на расстояниях между каналами 100 ГГц (0,8 нм) с целью избежать воздействия кросс-модуляции, четрехволно-вого смешивания и поляризационных эффектов.

3. Ввести начальную линейную модуляцию на каждом канале с целью сохранения длины усилительных участков.

4. Определиться с возможностью прохождения наибольшей регенерационной длины с помощью усилителя типа 2R (усилитель + компенсатор дисперсии) из-за воздействия поляризационной модовой дисперсии.

5. Необходимо учесть самофазовую модуляцию на каждом канале, хотя ее влияние при скорости 10 Гбит/с будет незначительно.

6. Несомненно, кроме хроматической и поляризационной дисперсии необходимо определить джиттер и вандер, окно синхронизации: какие дополнительные потери вносят данные характеристики.

Литература

1. Сеть DWDM. www.transtk.ru.

2. Г. Агравал. Нелинейная волоконная оптика. — М.: Мир, 1996. — 323 с.

3. ITU-T. Recommendation G-652. Characteristics of a single-mode optical fiber cable (04.97) ITU-T. Recommendation G-655. Characteristics of non-zero dispersion shifted singlemode optical fiber cable (10.96).

4. Фриман Р.Л. Волоконно-оптические системы связи. — М.: Техносфера. — 2003.

км