eng
TS_pub
technospheramag
technospheramag
ТЕХНОСФЕРА_РИЦ
Выпуск #2/2024
В.Н.Коршунов, И.А.Овчинникова, Н.А.Шишова
ЭФФЕКТИВНОСТЬ И КАЧЕСТВО ОПТИЧЕСКИХ КАБЕЛЕЙ С МНОГОКАНАЛЬНЫМИ ВОЛОКНАМИ
ЭФФЕКТИВНОСТЬ И КАЧЕСТВО ОПТИЧЕСКИХ КАБЕЛЕЙ С МНОГОКАНАЛЬНЫМИ ВОЛОКНАМИ
Просмотры: 641
DOI: 10.22184/2070-8963.2024.118.2.30.34
Рассматриваются системные аспекты применения в перспективных телекоммуникационных сетях оптических кабелей с многоканальными волокнами. Оценивается эффективность многоканальных волокон со стандартным и увеличенным диаметром оптической оболочки. Приводятся численные значения пространственной и спектральной эффективности. Сопоставляются эффективность и качество кабеля, выполняется расчет значений факторов обеспечения требуемого качества.
Рассматриваются системные аспекты применения в перспективных телекоммуникационных сетях оптических кабелей с многоканальными волокнами. Оценивается эффективность многоканальных волокон со стандартным и увеличенным диаметром оптической оболочки. Приводятся численные значения пространственной и спектральной эффективности. Сопоставляются эффективность и качество кабеля, выполняется расчет значений факторов обеспечения требуемого качества.
Теги: efficiency fiber-optic cables multichannel optical fibers optical fibers quality качество многоканальные оптические волокна оптические волокна оптические кабели эффективность
Эффективность и качество оптических кабелей
с многоканальными волокнами
В.Н.Коршунов, д.т.н., главный научный сотрудник ВНИИКП / telecom.cables@vniikp.ru,
И.А.Овчинникова, д.т.н., директор научного направления − зав. отделением ВНИИКП / irovchinnikova@gmail.com,
Н.А.Шишова, к.т.н., зав. кафедрой МТС МТУСИ / n.a.shishova@mtuci.ru
УДК 621.315, DOI: 10.22184/2070-8963.2024.118.2.30.34
Рассматриваются системные аспекты применения в перспективных телекоммуникационных сетях оптических кабелей с многоканальными волокнами. Оценивается эффективность многоканальных волокон со стандартным и увеличенным диаметром оптической оболочки. Приводятся численные значения пространственной и спектральной эффективности. Сопоставляются эффективность и качество кабеля, выполняется расчет значений факторов обеспечения требуемого качества.
Введение
Эффективность и качество относятся к доминантным свойствам оптических кабелей (ОК), характеризующим соответствие их модифицирования ходу развития информационной инфраструктуры. Неизменный рост трафика требует увеличения пропускной способности инфокоммуникаций. Решению этой задачи может отвечать применение в ОК многоканальных оптических волокон (МКОВ).
Сегодня в нашей стране и в международных организациях стандартизации телекоммуникаций исследуются перспективы динамики электросвязи. В Стратегии развития отрасли связи РФ на период до 2035 года [1] при ежегодном росте трафика на магистральных сетях на 25% предполагается модифицировать до 90% протяженности сетей действующих и построить новые сети с использованием отечественных аппаратуры и кабелей. В концепциях Сеть-2030 МСЭ-Т и Пятое поколение фиксированной сети F5G ETSI [2] намечен полный перевод сетей на оптические волокна (ОВ) и увеличение пропускной способности более чем в 10 раз. В перспективе к 2030 году ожидается увеличение требуемой пропускной способности системы передачи и сетевого узла наземных линий до, соответственно, 1 Пбит/с и 10 Пбит/с [3].
При условном пределе пропускной способности одномодовых волокон (ООВ) в 100 Тбит/с радикальное ее повышение может быть достигнуто развитием спектрального и пространственного параллелизма передачи сигналов [4]: сверхширокополосностью и увеличением количества пространственных каналов в кабеле и волокне. Исследования показывают на перспективу 2030 года необходимое количество пространственных каналов в оптических системах передачи фиксированных сетей более четырех [5].
ООВ реализует один пространственный канал, МКОВ [6] создают более одного канала посредством пространственного мультиплексирования: сердцевинного и модового [7]. За счет этого повышается спектральная и пространственная эффективность кабеля.
Эффективность кабеля
Эффективность отражает результат операции создания некоторых свойств объекта с обеспечением требуемого качества. На практике применяются два вида эффективности: сопоставление достигаемого и требуемого результатов [8] и сопоставление достигаемого результата и расходуемого для его осуществления ресурса [9].
Управляемые факторы обеспечения эффективности ОК X составляют множество решений:
Χ = {x|x = (x1, x2,…xl)} (1)
в виде семейства подмножеств Xk, соответствующих свойствам кабеля. Подмножества Xk могут представлять собой континуумы (непрерывные параметры и характеристики: размеры элементов, коэффициенты затухания и дисперсии, параметры профиля показателя преломления и т.п.) или дискретные множества с конечным количеством элементов (материал, конфигурация и взаимное расположение элементов конструкции ОК, типы профилей показателей преломления, число ОВ, число модулей и т.п.). В частности, подмножество Xk = XC включает факторы, определяющие пропускную способность С − максимально возможную скорость передачи данных.
Показатель эффективности ОК в виде соотношения достигаемого результата y(x) к требуемому результату yтр определяется как:
W(x)= ρ (y(x), yтр) | x є X, (2)
где ρ – функция соответствия.
В зависимости от содержания конкретных задач оценки, обеспечения и повышения эффективности ОК и практических возможностей их решения выбирается вид показателя эффективности в соответствии с концепцией рационального поведения. В рамках концепции пригодности находятся решения, обеспечивающие достижение требуемых свойств ОК. При детерминированных величинах y и yтр
. (3)
В концепции оптимизации:
W(x) = y(x), Wопт(x) = extr y(x), x є X. (4)
Концепция адаптивизации предусматривает изменение стратегии поиска решения X на основе текущей и прогнозной информации. Этой концепции соответствует итерационный процесс оптимизации по качеству [10], в ходе которого улучшаются отдельные параметры кабеля, причем на отдельных шагах достижение Wопт(x) не является обязательным.
Показатель эффективности вида "результат – ресурс" дается в виде отношения численных значений результата выполненной операции y(x) = G и расходуемого ресурса H:
W = G/H. (5)
Для ОК результат, ресурс и эффективность определяются как:
(6)
где M − количество пространственных каналов;
F и S − спектральный и пространственный ресурс соответственно (занимаемые под передачу сигналов области частотного спектра и физического пространства);
γ и ξ – спектральная и пространственная эффективность соответственно.
Экономическая эффективность использования затрат Э = b/a (где b − доход и прибыль; a − затраты в производственном процессе) [11]. Эффективность вида "результат − ресурс" дает численные показатели ОК, а эффективность вида "достигаемый − требуемый результат" аналогична качеству кабеля.
Качество кабеля
Качество ОК показывает способность удовлетворять потребность в его применении. Являясь промышленным продуктом, оптический кабель имеет жизненный цикл в виде круговой последовательности этапов − петли качества [12]. Элементы жизненного цикла ОК:
На этапах жизненного цикла осуществляется управление качеством [13]. Наибольшее внимание в обеспечении качества ОК уделяется производственным процессам, контролю и проведению испытаний (этапы 4−6 петли). Эту область дополняют этапы разработки, подготовки производственных процессов, прокладки и эксплуатации. При современных представлениях об экологии немаловажную роль играет этап утилизации.
Под системой управления качеством продукции понимается комплекс постоянно действующих организационных, технических, экономических и социальных мероприятий, методов и средств, направленных на установление, обеспечение и поддержание необходимого уровня качества продукции на этапах жизненного цикла. Cтандарт ГОСТ Р ИСО 9000-2015 [14] регламентирует понятия руководства качеством. Схема менеджмента качества ОК представлена на рис.1. В нем использована приведенная выше нумерация этапов жизненного цикла ОК.
Согласно стандарта, качество − это степень соответствия требованиям присущих (имеющихся) характеристик объекта: продукции, услуги, процесса и т.п. Качество в таком определении аналогично эффективности вида "достигаемый − требуемый результат" в концепции пригодности. Менеджмент − скоординированная деятельность по руководству и управлению достижением цели (требуемого результата) применительно к качеству. Части менеджмента качества: планирование (установление целей в области качества, путей и средств достижения), обеспечение (гарантия выполнения требований), управление (выполнение требований), улучшение (повышение способности выполнения требований к качеству). Планирование качества ОК − определение целей приведения их свойств в соответствии с потребностями развивающейся инфраструктуры связи −
является постановкой задачи разработки усовершенствованных модификаций ОК. В частности, применение в кабелях МКОВ способствует достижению цели обеспечения необходимой пропускной способности ОК на перспективу развития инфокоммуникационных сетей.
Многоканальные волокна
К МКОВ относятся оптические волокна, реализующие более одного пространственного канала. Количество пространственных каналов в волокне можно определить по формуле:
M = μ ∙ ψ, (7)
где μ − число мод, передаваемых по одной сердцевине;
ψ – число сердцевин в волокне.
При М = 1 волокно является одноканальным (пример − стандартное ООВ), при M > 1 − многоканальным. В настоящее время исследуются МКОВ двух классов: с диаметром оптической оболочки Dоб = 125 мкм и 250 мкм. Первые имеют стандартный размер и удобны в производстве и монтаже. У вторых − увеличенный размер в пределах обеспечения долговременной механической надежности (дальнейшее его увеличение влечет хрупкость ОВ), в них максимизируется количество пространственных каналов.
В реализованном четырехсердцевинном волокне 125 мкм [15] могут передаваться две линейно-поляризованные моды LP01, LP11 или три пространственные моды LP01, LP11а, LP11b. В одномодовом и маломодовом режимах могут быть образованы 4, 8 и 12 пространственных каналов. В другом источнике [16] описано 13-сердцевинное волокно 250 мкм, которое обеспечивает передачу пяти мод: LP01, LP11, LP21, LP02, LP31. Количество пространственных каналов доведено до 65.
Можно видеть, что первое МКОВ при равном размере со стандартным ООВ по пропускной способности эквивалентно 12 одномодовым волокнам, а второе при четырехкратном увеличении площади поперечного сечения сопоставимо по этому параметру уже с 65 ООВ. С применением МКОВ представляется возможным многократно увеличить отношение "результат − ресурс" с соответствующим повышением эффективности.
Согласно (5) и (6), спектральная эффективность:
γ = C/F, бит/с/Гц, (8)
пространственная эффективность:
. (9)
Пропускная способность кабеля при работе высокоскоростных систем передачи определяется как [4]:
C = p ∙ s ∙ M ∙ n ∙ F, (10)
где p = 2 − число поляризаций;
s − число бит на символ;
n − количество пар ОВ в кабеле.
Из выражений (8), (10) следует пропорциональный рост агрегированной спектральной эффективности ОВ с увеличением количества пространственных каналов М. Для рассмотренного выше МКОВ 125 мкм при равном с ООВ пространственном ресурсе S результирующая пространственная эффективность повышается в 4−12 раз. Для МКОВ 250 мкм пространственный ресурс увеличен в четыре раза, результат М выше в 13−65 раз, то есть пространственная эффективность возрастает в 3−16 раз. Оценочные значения эффективности "результат − ресурс", рассчитанные по формулам (8)−(10) для волокон 125 и 250 мкм при форматах модуляции DP-QPSK (ps = 4), DP-16QAM (ps = 8) и DP-64QAM (ps = 12) представлены в табл.1.
Определим условия реализации эффективности "достигаемый − требуемый результат" в перспективе развития инфокоммуникаций при цели управления качеством ОК − обеспечении величины пропускной способности пары волокон 1 Пбит/с. Целевая функция y(x) = C имеет в соответствии с (1) аргумент – четырехэлементное подмножество управляемых факторов:
(11)
Эффективность (качество), определенная по (3):
(12)
Для одной пары ОВ кабеля варьируемыми факторами являются x1, x2, x4. Необходимая ширина полосы частот при yтр = 1000 Тбит/с в соответствии с (10), (11):
x4= F = 1000/p sM, ТГц. (13)
Оценочные значения требуемой ширины спектра x4 приведены в табл.2. Строки и столбцы таблицы соответствуют факторам x1 и x2.
Сопоставление данных табл.2 с номинальной шириной оптических диапазонов показывает, что для диапазона C необходимое количество пространственных каналов составляет 26 и 65, для C+L − 12 и 26, для S+C+L − 4 и 12. В стандартном одномодовом волокне (M = 1) требуемая пропускная способность недостижима, необходимо применение параллельных волокон.
Зависимость C(F) при формате модуляции DP-64QAM для ряда значений M показана на рис.2. Достижение функциями уровня 1 Пбит/с означает обеспечение требуемого качества и пригодной эффективности ОК.
Для 65-канального МКОВ (13 сердцевин, 5 мод) и для 26-канального МКОВ (13 сердцевин, 2 моды) диаметром 250 мкм пропускная способность достигает требуемого результата 1 Пбит/с при работе в оптическом диапазоне C. Для 12-канального (4 сердцевины, 3 моды) МКОВ стандартного размера 125 мкм этот результат достигается в диапазоне C + L. 4-сердцевинное МКОВ 125 мкм с одномодовыми сердцевинами обладает заданным качеством в спектре S+C +L. Одномодовое кварцевое ОВ не дает возможности реализовать качество C = 1 Пбит/с.
Заключение
Взрывной рост телекоммуникационного трафика вызывает востребованность оптических кабелей с многоканальными волокнами. Реализованные МКОВ стандартного размера обеспечивают до 12 пространственных каналов эффективностью 80−1000 1/мм2. В МКОВ удвоенного размера реализовано 65 пространственных каналов с эффективностью около 1300 1/мм2.При использовании форматов модуляции DP-QPSK, DP-16QAM, DP-64AM в паре таких волокон может быть получена агрегированная спектральная эффективность, соответственно, 50−140 бит/с/Гц и 270−750 бит/с/Гц.
Эффективность вида "достигаемый − требуемый результат" аналогична качеству − соответствию характеристик кабеля требованиям. При цели руководства качеством − скорости передачи по паре ОВ 1 Пбит/с для формата модуляции DP-64QAM МКОВ с 26-ю пространственными каналами могут быть использованы в оптическом диапазоне C, с 12 каналами − в диапазоне C+L, с четырьмя каналами − в диапазоне S+C+L.
В перспективе до 2030−2035 года можно ожидать роста экономической эффективности применения МКОВ в ОК на коммерческих линиях связи с реализацией высокого технического потенциала этой новой среды передачи сигналов.
ЛИТЕРАТУРА
Стратегия развития отрасли связи Российской Федерации на период до 2035 года. [Электронный ресурс]. URL: http://static.government.ru/media/files/Pc 7fHuejbNvqv17b0RJNv0RIqTo20lUV.pdf (дата обращения 29.02.2024).
Росляков А.В. Поколения сетей фиксированной связи F1G−F5G // ПЕРВАЯ МИЛЯ. 2023. № 1. С. 36−46.
Marom D., Miyamoto Y., Neilson D.T., Tomkos I. Optical switching in future fiber-optic networks utilizing spectral and spatial degrees of freedom // Proc. IEEE. 2022. Vol. 110. No. 11. PP. 1835−1852.
Коршунов В.Н., Овчинникова И.А., Шишова Н.А. Развитие параллелизма в волоконно-оптических системах передачи // Электросвязь. 2023. № 8. С. 34−41.
Ruiz M. et al. Network traffic analisis under emerging beyond-5G scenarios for multi-band optical technology adoption // J. Opt. Commun. Netw. 2023. Vol. 15. No. 11. PP. F36−F47.
Коршунов В.Н., Шишова Н.А. Многоканальные оптические волокна для высокоскоростных ВОСП // Вестник связи. 2021. № 6. С. 11−15.
Коршунов В.Н., Овчинникова И.А. Применение пространственного мультиплексирования при передаче информации по оптическим кабелям // Кабели и провода. 2018. № 1. С. 12−18.
Надежность и эффективность в технике. Справочник в 10 т. Т. З. Эффективность технических систем. М.: Машиностроение, 1988. 328 c.
Дружинин В.В., Конторов Д.С. Системотехника. М.: Радио и связь, 1985. 200 c.
Верник С.М., Кочановский Л.Н. Оптимизация линейных сооружений связи. М.: Радио и связь, 1984. 136 с.
Кузовкова Т.А. Экономика инфокоммуникаций и методология ее научного исследования. М.: МТУСИ, 2016. 196 c.
Мельников В.П., Смоленцев В.П. Основы обеспечения качества. М.: Буки-Веди, 2016. 538 c.
Белобрагин В.Я. Введение в науку об управлении качеством. М.: Стандарты и качество, 2021. 460 c.
ГОСТ Р ИСО 9000-2015. Система менеджмента качества. Основные положения и словарь.
Sagae Y. et al. Weakly coupled homogeneus 3-mode 4-core fiber with standard diameter // J. Lightwave Technol. 2023. Vol. 40. No. 12. PP. 3950−3956.
Li Z. et al. Experimental research of 13-core 5-LPmode fiber with high doped graded-index core and stairway-index trench // Opt. Express. 2023. Vol. 31. No. 9. PP. 15214−15226.
с многоканальными волокнами
В.Н.Коршунов, д.т.н., главный научный сотрудник ВНИИКП / telecom.cables@vniikp.ru,
И.А.Овчинникова, д.т.н., директор научного направления − зав. отделением ВНИИКП / irovchinnikova@gmail.com,
Н.А.Шишова, к.т.н., зав. кафедрой МТС МТУСИ / n.a.shishova@mtuci.ru
УДК 621.315, DOI: 10.22184/2070-8963.2024.118.2.30.34
Рассматриваются системные аспекты применения в перспективных телекоммуникационных сетях оптических кабелей с многоканальными волокнами. Оценивается эффективность многоканальных волокон со стандартным и увеличенным диаметром оптической оболочки. Приводятся численные значения пространственной и спектральной эффективности. Сопоставляются эффективность и качество кабеля, выполняется расчет значений факторов обеспечения требуемого качества.
Введение
Эффективность и качество относятся к доминантным свойствам оптических кабелей (ОК), характеризующим соответствие их модифицирования ходу развития информационной инфраструктуры. Неизменный рост трафика требует увеличения пропускной способности инфокоммуникаций. Решению этой задачи может отвечать применение в ОК многоканальных оптических волокон (МКОВ).
Сегодня в нашей стране и в международных организациях стандартизации телекоммуникаций исследуются перспективы динамики электросвязи. В Стратегии развития отрасли связи РФ на период до 2035 года [1] при ежегодном росте трафика на магистральных сетях на 25% предполагается модифицировать до 90% протяженности сетей действующих и построить новые сети с использованием отечественных аппаратуры и кабелей. В концепциях Сеть-2030 МСЭ-Т и Пятое поколение фиксированной сети F5G ETSI [2] намечен полный перевод сетей на оптические волокна (ОВ) и увеличение пропускной способности более чем в 10 раз. В перспективе к 2030 году ожидается увеличение требуемой пропускной способности системы передачи и сетевого узла наземных линий до, соответственно, 1 Пбит/с и 10 Пбит/с [3].
При условном пределе пропускной способности одномодовых волокон (ООВ) в 100 Тбит/с радикальное ее повышение может быть достигнуто развитием спектрального и пространственного параллелизма передачи сигналов [4]: сверхширокополосностью и увеличением количества пространственных каналов в кабеле и волокне. Исследования показывают на перспективу 2030 года необходимое количество пространственных каналов в оптических системах передачи фиксированных сетей более четырех [5].
ООВ реализует один пространственный канал, МКОВ [6] создают более одного канала посредством пространственного мультиплексирования: сердцевинного и модового [7]. За счет этого повышается спектральная и пространственная эффективность кабеля.
Эффективность кабеля
Эффективность отражает результат операции создания некоторых свойств объекта с обеспечением требуемого качества. На практике применяются два вида эффективности: сопоставление достигаемого и требуемого результатов [8] и сопоставление достигаемого результата и расходуемого для его осуществления ресурса [9].
Управляемые факторы обеспечения эффективности ОК X составляют множество решений:
Χ = {x|x = (x1, x2,…xl)} (1)
в виде семейства подмножеств Xk, соответствующих свойствам кабеля. Подмножества Xk могут представлять собой континуумы (непрерывные параметры и характеристики: размеры элементов, коэффициенты затухания и дисперсии, параметры профиля показателя преломления и т.п.) или дискретные множества с конечным количеством элементов (материал, конфигурация и взаимное расположение элементов конструкции ОК, типы профилей показателей преломления, число ОВ, число модулей и т.п.). В частности, подмножество Xk = XC включает факторы, определяющие пропускную способность С − максимально возможную скорость передачи данных.
Показатель эффективности ОК в виде соотношения достигаемого результата y(x) к требуемому результату yтр определяется как:
W(x)= ρ (y(x), yтр) | x є X, (2)
где ρ – функция соответствия.
В зависимости от содержания конкретных задач оценки, обеспечения и повышения эффективности ОК и практических возможностей их решения выбирается вид показателя эффективности в соответствии с концепцией рационального поведения. В рамках концепции пригодности находятся решения, обеспечивающие достижение требуемых свойств ОК. При детерминированных величинах y и yтр
. (3)
В концепции оптимизации:
W(x) = y(x), Wопт(x) = extr y(x), x є X. (4)
Концепция адаптивизации предусматривает изменение стратегии поиска решения X на основе текущей и прогнозной информации. Этой концепции соответствует итерационный процесс оптимизации по качеству [10], в ходе которого улучшаются отдельные параметры кабеля, причем на отдельных шагах достижение Wопт(x) не является обязательным.
Показатель эффективности вида "результат – ресурс" дается в виде отношения численных значений результата выполненной операции y(x) = G и расходуемого ресурса H:
W = G/H. (5)
Для ОК результат, ресурс и эффективность определяются как:
(6)
где M − количество пространственных каналов;
F и S − спектральный и пространственный ресурс соответственно (занимаемые под передачу сигналов области частотного спектра и физического пространства);
γ и ξ – спектральная и пространственная эффективность соответственно.
Экономическая эффективность использования затрат Э = b/a (где b − доход и прибыль; a − затраты в производственном процессе) [11]. Эффективность вида "результат − ресурс" дает численные показатели ОК, а эффективность вида "достигаемый − требуемый результат" аналогична качеству кабеля.
Качество кабеля
Качество ОК показывает способность удовлетворять потребность в его применении. Являясь промышленным продуктом, оптический кабель имеет жизненный цикл в виде круговой последовательности этапов − петли качества [12]. Элементы жизненного цикла ОК:
- маркетинг;
- разработка кабеля;
- подготовка производственных процессов;
- материально-техническое снабжение;
- производство;
- контроль, испытания;
- хранение;
- реализация;
- прокладка и эксплуатация;
- утилизация после использования.
На этапах жизненного цикла осуществляется управление качеством [13]. Наибольшее внимание в обеспечении качества ОК уделяется производственным процессам, контролю и проведению испытаний (этапы 4−6 петли). Эту область дополняют этапы разработки, подготовки производственных процессов, прокладки и эксплуатации. При современных представлениях об экологии немаловажную роль играет этап утилизации.
Под системой управления качеством продукции понимается комплекс постоянно действующих организационных, технических, экономических и социальных мероприятий, методов и средств, направленных на установление, обеспечение и поддержание необходимого уровня качества продукции на этапах жизненного цикла. Cтандарт ГОСТ Р ИСО 9000-2015 [14] регламентирует понятия руководства качеством. Схема менеджмента качества ОК представлена на рис.1. В нем использована приведенная выше нумерация этапов жизненного цикла ОК.
Согласно стандарта, качество − это степень соответствия требованиям присущих (имеющихся) характеристик объекта: продукции, услуги, процесса и т.п. Качество в таком определении аналогично эффективности вида "достигаемый − требуемый результат" в концепции пригодности. Менеджмент − скоординированная деятельность по руководству и управлению достижением цели (требуемого результата) применительно к качеству. Части менеджмента качества: планирование (установление целей в области качества, путей и средств достижения), обеспечение (гарантия выполнения требований), управление (выполнение требований), улучшение (повышение способности выполнения требований к качеству). Планирование качества ОК − определение целей приведения их свойств в соответствии с потребностями развивающейся инфраструктуры связи −
является постановкой задачи разработки усовершенствованных модификаций ОК. В частности, применение в кабелях МКОВ способствует достижению цели обеспечения необходимой пропускной способности ОК на перспективу развития инфокоммуникационных сетей.
Многоканальные волокна
К МКОВ относятся оптические волокна, реализующие более одного пространственного канала. Количество пространственных каналов в волокне можно определить по формуле:
M = μ ∙ ψ, (7)
где μ − число мод, передаваемых по одной сердцевине;
ψ – число сердцевин в волокне.
При М = 1 волокно является одноканальным (пример − стандартное ООВ), при M > 1 − многоканальным. В настоящее время исследуются МКОВ двух классов: с диаметром оптической оболочки Dоб = 125 мкм и 250 мкм. Первые имеют стандартный размер и удобны в производстве и монтаже. У вторых − увеличенный размер в пределах обеспечения долговременной механической надежности (дальнейшее его увеличение влечет хрупкость ОВ), в них максимизируется количество пространственных каналов.
В реализованном четырехсердцевинном волокне 125 мкм [15] могут передаваться две линейно-поляризованные моды LP01, LP11 или три пространственные моды LP01, LP11а, LP11b. В одномодовом и маломодовом режимах могут быть образованы 4, 8 и 12 пространственных каналов. В другом источнике [16] описано 13-сердцевинное волокно 250 мкм, которое обеспечивает передачу пяти мод: LP01, LP11, LP21, LP02, LP31. Количество пространственных каналов доведено до 65.
Можно видеть, что первое МКОВ при равном размере со стандартным ООВ по пропускной способности эквивалентно 12 одномодовым волокнам, а второе при четырехкратном увеличении площади поперечного сечения сопоставимо по этому параметру уже с 65 ООВ. С применением МКОВ представляется возможным многократно увеличить отношение "результат − ресурс" с соответствующим повышением эффективности.
Согласно (5) и (6), спектральная эффективность:
γ = C/F, бит/с/Гц, (8)
пространственная эффективность:
. (9)
Пропускная способность кабеля при работе высокоскоростных систем передачи определяется как [4]:
C = p ∙ s ∙ M ∙ n ∙ F, (10)
где p = 2 − число поляризаций;
s − число бит на символ;
n − количество пар ОВ в кабеле.
Из выражений (8), (10) следует пропорциональный рост агрегированной спектральной эффективности ОВ с увеличением количества пространственных каналов М. Для рассмотренного выше МКОВ 125 мкм при равном с ООВ пространственном ресурсе S результирующая пространственная эффективность повышается в 4−12 раз. Для МКОВ 250 мкм пространственный ресурс увеличен в четыре раза, результат М выше в 13−65 раз, то есть пространственная эффективность возрастает в 3−16 раз. Оценочные значения эффективности "результат − ресурс", рассчитанные по формулам (8)−(10) для волокон 125 и 250 мкм при форматах модуляции DP-QPSK (ps = 4), DP-16QAM (ps = 8) и DP-64QAM (ps = 12) представлены в табл.1.
Определим условия реализации эффективности "достигаемый − требуемый результат" в перспективе развития инфокоммуникаций при цели управления качеством ОК − обеспечении величины пропускной способности пары волокон 1 Пбит/с. Целевая функция y(x) = C имеет в соответствии с (1) аргумент – четырехэлементное подмножество управляемых факторов:
(11)
Эффективность (качество), определенная по (3):
(12)
Для одной пары ОВ кабеля варьируемыми факторами являются x1, x2, x4. Необходимая ширина полосы частот при yтр = 1000 Тбит/с в соответствии с (10), (11):
x4= F = 1000/p sM, ТГц. (13)
Оценочные значения требуемой ширины спектра x4 приведены в табл.2. Строки и столбцы таблицы соответствуют факторам x1 и x2.
Сопоставление данных табл.2 с номинальной шириной оптических диапазонов показывает, что для диапазона C необходимое количество пространственных каналов составляет 26 и 65, для C+L − 12 и 26, для S+C+L − 4 и 12. В стандартном одномодовом волокне (M = 1) требуемая пропускная способность недостижима, необходимо применение параллельных волокон.
Зависимость C(F) при формате модуляции DP-64QAM для ряда значений M показана на рис.2. Достижение функциями уровня 1 Пбит/с означает обеспечение требуемого качества и пригодной эффективности ОК.
Для 65-канального МКОВ (13 сердцевин, 5 мод) и для 26-канального МКОВ (13 сердцевин, 2 моды) диаметром 250 мкм пропускная способность достигает требуемого результата 1 Пбит/с при работе в оптическом диапазоне C. Для 12-канального (4 сердцевины, 3 моды) МКОВ стандартного размера 125 мкм этот результат достигается в диапазоне C + L. 4-сердцевинное МКОВ 125 мкм с одномодовыми сердцевинами обладает заданным качеством в спектре S+C +L. Одномодовое кварцевое ОВ не дает возможности реализовать качество C = 1 Пбит/с.
Заключение
Взрывной рост телекоммуникационного трафика вызывает востребованность оптических кабелей с многоканальными волокнами. Реализованные МКОВ стандартного размера обеспечивают до 12 пространственных каналов эффективностью 80−1000 1/мм2. В МКОВ удвоенного размера реализовано 65 пространственных каналов с эффективностью около 1300 1/мм2.При использовании форматов модуляции DP-QPSK, DP-16QAM, DP-64AM в паре таких волокон может быть получена агрегированная спектральная эффективность, соответственно, 50−140 бит/с/Гц и 270−750 бит/с/Гц.
Эффективность вида "достигаемый − требуемый результат" аналогична качеству − соответствию характеристик кабеля требованиям. При цели руководства качеством − скорости передачи по паре ОВ 1 Пбит/с для формата модуляции DP-64QAM МКОВ с 26-ю пространственными каналами могут быть использованы в оптическом диапазоне C, с 12 каналами − в диапазоне C+L, с четырьмя каналами − в диапазоне S+C+L.
В перспективе до 2030−2035 года можно ожидать роста экономической эффективности применения МКОВ в ОК на коммерческих линиях связи с реализацией высокого технического потенциала этой новой среды передачи сигналов.
ЛИТЕРАТУРА
Стратегия развития отрасли связи Российской Федерации на период до 2035 года. [Электронный ресурс]. URL: http://static.government.ru/media/files/Pc 7fHuejbNvqv17b0RJNv0RIqTo20lUV.pdf (дата обращения 29.02.2024).
Росляков А.В. Поколения сетей фиксированной связи F1G−F5G // ПЕРВАЯ МИЛЯ. 2023. № 1. С. 36−46.
Marom D., Miyamoto Y., Neilson D.T., Tomkos I. Optical switching in future fiber-optic networks utilizing spectral and spatial degrees of freedom // Proc. IEEE. 2022. Vol. 110. No. 11. PP. 1835−1852.
Коршунов В.Н., Овчинникова И.А., Шишова Н.А. Развитие параллелизма в волоконно-оптических системах передачи // Электросвязь. 2023. № 8. С. 34−41.
Ruiz M. et al. Network traffic analisis under emerging beyond-5G scenarios for multi-band optical technology adoption // J. Opt. Commun. Netw. 2023. Vol. 15. No. 11. PP. F36−F47.
Коршунов В.Н., Шишова Н.А. Многоканальные оптические волокна для высокоскоростных ВОСП // Вестник связи. 2021. № 6. С. 11−15.
Коршунов В.Н., Овчинникова И.А. Применение пространственного мультиплексирования при передаче информации по оптическим кабелям // Кабели и провода. 2018. № 1. С. 12−18.
Надежность и эффективность в технике. Справочник в 10 т. Т. З. Эффективность технических систем. М.: Машиностроение, 1988. 328 c.
Дружинин В.В., Конторов Д.С. Системотехника. М.: Радио и связь, 1985. 200 c.
Верник С.М., Кочановский Л.Н. Оптимизация линейных сооружений связи. М.: Радио и связь, 1984. 136 с.
Кузовкова Т.А. Экономика инфокоммуникаций и методология ее научного исследования. М.: МТУСИ, 2016. 196 c.
Мельников В.П., Смоленцев В.П. Основы обеспечения качества. М.: Буки-Веди, 2016. 538 c.
Белобрагин В.Я. Введение в науку об управлении качеством. М.: Стандарты и качество, 2021. 460 c.
ГОСТ Р ИСО 9000-2015. Система менеджмента качества. Основные положения и словарь.
Sagae Y. et al. Weakly coupled homogeneus 3-mode 4-core fiber with standard diameter // J. Lightwave Technol. 2023. Vol. 40. No. 12. PP. 3950−3956.
Li Z. et al. Experimental research of 13-core 5-LPmode fiber with high doped graded-index core and stairway-index trench // Opt. Express. 2023. Vol. 31. No. 9. PP. 15214−15226.
Отзывы читателей
