Методы повышения пропускной способности магистральной ВОСП - Проектирования магистральной волоконно-оптической системы передачи информации

Метод временного мультиплексирования (TDM)

Суть TDM: процесс передачи разбивается на ряд временных циклов, каждый из которых в свою очередь разбивается на N субциклов, где N -- число уплотняемых каналов. Каждый субцикл подразделяется на временные позиции (тайм - слоты), в течение которых передается часть информации одного из цифровых мультиплексируемых потоков. Кроме того, некоторое число позиций отводится для идентификационных синхроимпульсов, вставок и цифрового потока служебной связи. При временном мультиплексировании каждому из информационных каналов системы, имеющих общую оптическую несущую (один источник излучения), отводится определенный интервал времени или временное окно, для передачи информации. В первый интервал времени оптическая несущая модулируется сигналом одного информационного канала, во второй -- другого и т. д. Длительность этих интервалов определяется различными факторами, главные - это скорость преобразования электрических сигналов в оптические и скорость передачи информации в линии связи.

На передающей части стоит временной мультиплексор, он устанавливает очередность и временной интервал передачи информации на входе линии. На другом конце линии устанавливается демультиплексор, определяющий номер канала, идентифицируя его (рис. 1.2).

Метод TDM подразделяется на два вида -- асинхронное (плезиохронное) и синхронное временное мультиплексирование. Соответственно, плезиохронная цифровая иерархия PDH и синхронная SDH, которые представлены в рекомендациях МСЭ-Т.

Рис. 1.2 Схема передачи оптических сигналов по ВОЛС с временным мультиплексированием TDM

Структура первичной сети ВСС РФ предопределяет объединение и разделение потоков передаваемой информации, поэтому используемые на ней системы передачи строятся по иерархическому принципу. Применительно к ЦСП этот принцип заключается в том, что число каналов ЦСП, соответствующее данной ступени иерархии, больше числа каналов ЦСП предыдущей ступени в целое число раз. Первая ступень иерархии - первичная - осуществляется прямое преобразование относительно небольшого числа первичных сигналов в первичный цифровой поток (ОЦК). ЦСП второй ступени объединяют определенное число ОЦК во вторичный цифровой поток и т. д.

Рис. 1.3 Иерархии цифровых систем передач

Метод WDM позволяет увеличить скорости передачи информации в ВОЛС за счет одновременной передачи по одному волокну нескольких TDM каналов на различных длинах волн. В системах WDM к оконечному электронному оборудованию предъявляются такие же требования, как и в системах TDM, для остального оборудования пропускная способность ограничивается лишь самими каналами. Полная пропускная способность линии связи не ограничена пропускной способностью используемых электронных компонентов. При необходимости необходимая пропускная способность достигается путем добавления/удаления оптических несущих. Каждый канал электросвязи, образуемый ЦСП, обрабатывается в системе WDM как отдельный канал на отдельной длине волны.

Суть этого метода состоит в том, что k информационных цифровых потоков, (их количество может быть 2, 4, 8, 32..i..k), переносимых каждый на своей оптической несущей на длине волны лm и разнесенных в пространстве, с помощью специальных устройств -- оптических мультиплексоров (ОМ) -- объединяются в один оптический поток л1..лm, после чего он вводится в оптическое волокно. На приемной стороне производится обратная операция демультиплексирования (рис. 1.4).

Рис. 1.4 Структурная схема ВОСП со спектральным мультиплексированием WDM с устройством ввода/вывода OADM (а -- Мультиплексоры с устройством ввода/вывода, b -- Оптические усилители, c -- Оптические переключатели)

Здесь k входных потоков данных (кодированных цифровых импульсных последовательностей) модулируют с помощью оптических модуляторов Mi оптические несущие с длинами волн лi. Модулированные несущие объединяются с помощью мультиплексора Mux в агрегатный поток, который после усиления (с помощью бустера или мощного усилителя - МУ) подается в ОВ. На приемном конце поток с выхода ОВ усиливается предварительным усилителем - ПУ, демультиплексируется, т. е. разделяется на составляющие потоки - модулированные несущие li, которые детектируются с помощью детекторов Дi (на входе которых могут дополнительно использоваться полосовые фильтры Фi для уменьшения переходных помех и увеличения тем самым помехоустойчивости детектирования), и, наконец, демодулируются демодуляторами ДMi, формирующими на выходе исходные кодированные цифровые импульсные последовательности. Кроме МУ и ПУ в системе могут быть использованы и линейные усилители (ЛУ).

Метод частотного уплотнения (FDM)

При частотном методе мультиплексирования FDM (FDM -- Frequency Division Multiplexing) каждый информационный поток передается по физическому каналу на соответствующей частоте -- поднесущей ѓпн. Если в качестве физического канала выступает оптическое излучение -- оптическая несущая, то она модулируется по интенсивности групповым информационным сигналом, спектр которого состоит из ряда частот поднесущих, количество которых равно числу компонентных информационных потоков. Частота поднесущей каждого канала выбирается исходя из условия ѓпн ? 10ѓвчп, где ѓпн -- частота поднесущей, ѓвчп -- верхняя частота спектра информационного потока. Частотный интервал между поднесущими Дѓпн выбирается из условия Дѓпн ? ѓвчп. На приемной стороне оптическая несущая попадает на фотодетектор, на нагрузке которого выделяется электрический групповой поток, поступающий после усиления в широкополосном усилителе приема на входы узкополосных фильтров, центральная частота пропускания которых равна одной из поднесущих частот.

Уплотнение по поляризации (PDM)

Уплотнение потоков информации с помощью оптических несущих, имеющих линейную поляризацию, называется уплотнением по поляризации (PDM -- Polarization Division Multiplexing). При этом плоскость поляризации каждой несущей должна быть расположена под своим углом. Мультиплексирование осуществляется с помощью специальных оптических призм, например, призмы Рошона. Поляризационное мультиплексирование возможно только тогда, когда в среде передачи отсутствует оптическая анизотропия, т. е. волокно не должно иметь локальных неоднородностей и изгибов. Это одна из причин весьма ограниченного применения данного метода уплотнения. В частности, он применяется в оптических изоляторах, а также в оптических волоконных усилителях, которые используются в устройствах накачки эрбиевого волокна для сложения излучения накачки двух лазеров, излучение которых имеет выраженную поляризацию в виде вытянутого эллипса.

Сравнение технологий передачи информации

Целью сравнения является исследование целесообразности применения методов волнового (WDM) и временного уплотнения (TDM) для увеличения пропускной способности ВОСП.

Сравнивать такие методы как метод частотного уплотнения (FDM) и уплотнение по поляризации (PDM), нет необходимости в связи с тем что они не нашли применения для магистральных систем передачи.

WDM и TDM предусматривают объединение нескольких входных низкоскоростных каналов в один составной высокоскоростной канал. Но TDM технология работает на одной длине волны, а WDM - на нескольких.

В связи с этим обстоятельством, для наращивания количества каналов по технологии TDM необходимо увеличивать скорость передачи по принципу STM-1 в STM-N или STM-N в STM-4*N (иерархия SDH), а по технологии WDM - путем добавления новых оптических несущих лm а также путем уменьшения расстояния между несущими.

Рассмотрим, как с помощью этих технологий можно решить задачу увеличения пропускной способности в 4 раза:

- TDM: переход на следующую ступень иерархии ЦСП по формуле 30*4*4*4*4, позволяет увеличить пропускную способность с каждой ступенью в 4 раза. При высокой скорости значительное влияние на качество передачи оказывают такие характеристики ОВ, как поляризационная модовая дисперсия и хроматическая дисперсия. Возрастание сложности оконечного оборудования и повышение стоимости преокта. - WDM: берутся k потоков TDM, модулируются по отдельности в оптические сигналы разной длины волны, объединяются с помощью оптического мультиплексора. Результат: пропускная способность ВОСП увеличилась в k раз. Стоит отметить существенный положительный момент - отсутствие тех ограничений по дисперсии и другим показателям, которые были присущи при использовании технологии TDM.

Сравнительные характеристики двух методов уплотнения представлены в Таблицах 1.1, 1,2 из которых видно, что метод спектрального уплотнения является наиболее экономически выгодным по сравнению с временным методом уплотнения.

Таблица 1.1 Технические характеристики

Параметры	Временное мультиплексирование	Спектральное мультиплексирование
Надежность	Высокая	Высокая
Пропускная способность	Высокая	Очень высокая
Коммутационные устройства	Сложные	Сложные
Загруженность ОВ	Средняя	Высокая
Объем аппаратуры	Большой	Средний

Таблица 1.2 Экономические характеристики

Параметры	Временное мультиплексирование	Спектральное мультиплексирование
Стоимость оконечных пунктов	Практически одинаковы
Стоимость линейного тракта	Средняя	Средняя
Стоимость канала	Низкая	Низкая
Стоимость передачи информации	Низкая	Низкая

Стоимость аппаратурной части системы WDM соизмерима со стоимостью аппаратуры TDM. В этом случае построение разветвленной сети более эффективно при использовании спектрального уплотнения. Выделение составляющих цифровых потоков в промежуточных пунктах при временном уплотнении требует наличия большого объема оборудования, тогда как при спектральном уплотнении достаточно нескольких пассивных элементов (мультиплексоров и демультиплексоров).

Обе технологии WDM и TDM применяются для увеличения информационной пропускной способности ВОСП. Хотя они не исключают, а скорее дополняют друг друга, можно сравнить такие их характеристики, как гибкость структуры линий связи, скорость передачи.

Гибкость структуры линий связи. Технология TDM дает возможность передачи по линии связи каналов, разнородных по типу передаваемых данных, а также позволяет передать по ОК множество каналов, по которым с различными скоростями передаются различные типы трафика, путем применения различных способов распределения тайм-слотов. Они могут быть постоянно закреплены за определенными приложениями или выделяться по требованию DAMA (Demand Assignment Multiple Access). Можно изменять продолжительность тайм-слотов или полностью их исключить. В последнем случае данные передаются в виде отдельных пакетов, каждый из которых включает адрес источника и отправителя (статистическое мультиплексирование). Несмотря на все эти возможности, технология TDM работает лучше всего, когда по всем логическим каналам передается один тип трафика, а все тайм-слоты имеют одинаковую продолжительность и постоянно закреплены за отдельными каналами. Этот вариант технологии TDM достаточно прост в реализации и управлении, и его эксплуатационные издержки также меньше.

В технологии WDM каналы полностью независимы, следовательно она дает большую гибкость, чем технология TDM.

Скорость передачи. В технологии TDM пропускная способность увеличивается за счет увеличения скорости передачи битов в линии связи. Скорость ограничивается лишь используемыми электронными компонентами. Получение данных, хранение, передача и т. д. - все это требует применение цифровых интегральных схем. Они должны работать со скоростью, равной или близкой к суммарной скорости передачи линии связи. Для каждого канала должно быть установлено оборудование, поддерживающее полную пропускную способность линии связи.

Оборудование WDM в канале может поддерживать только скорость передачи по этому каналу, а не полную скорость составного сигнала. Таким образом, полная пропускная способность линии связи не ограничена скоростью работы используемых электронных устройств. Самую быструю линию связи TDM, которую только можно создать с использованием наиболее современной техники, в системе WDM можно передавать как один из многих каналов. Даже после этого сравнения становится ясно, что технология WDM имеет неоспоримое преимущество перед остальными магистральными технологиями передачи информации.

Выводы. Укладка в линии связи новые ОК. Этот процесс сопряжен с необходимостью долгосрочного планирования, больших капиталовложений и не всегда возможен. При использовании нового ОК с улучшенными техническими характеристиками появляются перспективы увеличения количества оптических каналов, увеличения предельной скорости передачи, а также количества оптических волокон соответственно. Использование электроники с большим быстродействием (10Гбит/с, 40Гбит/с). При выборе аппаратуры придется стремиться использовать самые последние технологические достижения, предельная скорость передачи информации и количество передаваемой информации в несколько раз увеличится, цена и качество не влияют на выбор. Переход от электронных компонент к полностью оптическим. В отличие от электронных компонент, параметры большинства оптических компонент не зависят от скорости передачи данных и для них прирост цены с увеличением битовой скорости будет небольшим. Позволяет производить коммутацию на оптическом уровне без преобразования сигнала. Применение новых технологий уплотнения каналов, например, по длинам волн (WDM - wavelength division multiplexing). Для этого достаточно только заменить терминалы в линии с оптическими усилителями. Особенно привлекателен последний подход к увеличению пропускной способности магистральных сетей передачи данных, как наиболее перспективный, по сравнению с заменой ОК и переходом на следующую ступень иерархии ЦСП.

Методы повышения пропускной способности магистральной ВОСП - Проектирования магистральной волоконно-оптической системы передачи информации

Похожие статьи