eng
Выпуск #3/2014
Ю.Белов, В.Дорош, В.Сморщевский
Увеличение пропускной способности ВОЛП с использованием Y-разветвителей
Увеличение пропускной способности ВОЛП с использованием Y-разветвителей
Просмотры: 10269
В связи с быстрым развитием в сельских районах сетей широкополосного доступа там стала ощутима нехватка свободных оптических волокон. Выходом из положения может быть перевод оптических систем передачи из двухволоконного в одноволоконный режим. В статье рассмотрена возможность применения Y-разветвителей для организации работы оптических сетей в одноволоконном режиме и предложена методика определения оптимальной длины оптической линии при переводе ее в одноволоконный режим.
Теги: line capacity optical signal losses optical y-splitters оптические y-разветвители потери оптического сигнала пропускная способность
На современных телекоммуникационных городских и сельских сетях продолжают использоваться волоконно-оптические линии передачи (ВОЛП) с небольшим количеством волокон (4–8), построенные 10–15 лет назад. Такие ВОЛП создавались главным образом для цифровизации телефонной сети связи. Проблемы организации высокоскоростных сетей передачи данных не были на первом плане у операторов, и оптические волокна были в основном задействованы для систем передачи PDH (Plesiochronous Digital Hierarchy) и SDH (Synchronous Digital Hierarchy).
Из-за быстрого развития в последние годы сетей широкополосного абонентского доступа (ШПД), которые можно организовать только с использованием оптических технологий, на таких ВОЛП возникла проблема отсутствия свободных оптических волокон, особенно на сельских сетях связи.
Строительство новых ВОЛП или использование систем спектрального уплотнения в большинстве таких случаев экономически невыгодно или технически нереализуемо.
Наиболее целесообразный способ решения проблемы отсутствия свободных оптических волокон на таких ВОЛП – перевод действующих оптических систем передачи (ОСП) из двухволоконного в одноволоконный режим работы с применением оптических Y-разветвителей. Освободившиеся волокна могут использоваться для организации сетей ШПД. Организация одноволоконного режима работы ОСП и некоторые особенности такого режима кратко описаны в [1], а некоторые производители оборудования ОСП отмечают возможность организации одноволоконного режима в своих каталогах. Например, ОАО "Русская телефонная компания" (Новосибирск) в своем каталоге [2] приводит технические характеристики и стоимость серийно выпускаемого оптического Y-разветвителя для организации одноволоконного режима на своем оборудовании "Транспорт 8 × 30", "Гвоздь", "Супергвоздь" и др. В [3] описан эксперимент по организации одноволоконного режима для действующей ОСП, там рассмотрен только один фактор, влияющий на одноволоконный режим, – увеличение затухания элементарного кабельного участка (ЭКУ) из-за применения Y-разветвителей, но при этом не рассмотрены другие важные влияющие факторы.
К сожалению, во всех этих источниках, а также в другой научно-технической литературе, нет сведений и рекомендаций по организации одноволоконного режима и расчету номинальной длины ЭКУ ВОЛП в этом режиме, уменьшающейся по сравнению с номинальной длиной в двухволоконном режиме. Результаты такого расчета – основа для принятия решения о возможности использования Y-разветвителей для реконструкции действующей ОСП.
Общая схема перевода ОСП в одноволоконный режим работы с использованием оптических Y-разветвителей приведена на рис.1. Передающие оптические модули (ПОМ) мультиплексоров А и Б подключаются к оптическим коннекторам 1 Y-разветвителей, а приемные оптические модули (ПрОМ) – к оптическим коннекторам 2. Коннекторы 3 подключаются к рабочему волокну элементарного кабельного участка ВОЛП через порты оптических кроссов ОК.
В цифровой связи качество передачи сигналов и номинальная длина ЭКУ определяются коэффициентом ошибок по битам (Кош) на регенерационном участке, который зависит от отношения сигнал/шум (SNR) на входе приемного устройства.
В двухволоконном режиме SNR2 определяется по формуле:
SNR2 = рпр2 – рш2 = (рпер – aэку) – рш2,
где рпер – уровень передачи оптического сигнала на выходе ПОМ, дБ; aэку – затухание оптического волокна на ЭКУ, дБ; рпр2 – уровень приема на входе ПрОМ, дБм; рш2 – уровень шумов регенерационного участка, приведенный к входу ПрОМ, дБм.
В одноволоконном режиме появляются новые факторы, уменьшающие SNR1 по сравнению с SNR2.
Из-за дополнительных потерь Y-разветвителей ар в направлениях 1–3 и 3–2 aэку увеличивается на 2ар, соответственно уменьшается SNR1. Величина ар для сварных биконических Y-разветвителей с коэффициентом деления 1/2 находится в пределах 3,5–4 дБ (с учетом сварок выходных оптических вилок внутри разветвителя) [4].
Часть передаваемого оптического сигнала переходит через Y-разветвитель на вход своего ПрОМ, создавая дополнительные переходные шумы с уровнем рш пер = рпер – Апер, где Апер – переходное затухание разветвителя, для сварных биконических Y-разветвителей, находящееся в пределах 50–55 дБ [4]. Если уровень передачи на выходе ПОМ рпер = 0 дБм, то мощность переходных шумов на входе своего ПрОМ в этом случае Рш пер = 3,16–10 нВт.
Часть передаваемого оптического сигнала из-за френелевского отражения в оптических разъемных соединениях (ОРС) оптических кроссов ЭКУ возвращается на вход ПрОМ в виде дополнительных шумов с уровнем
ршф = рпер – 2ар + RL,
где RL – коэффициент обратного (френелевского) отражения в ОРС оптических кроссов. RL зависит от типа полировки оптических коннекторов 3 (рис.1) и находится в пределах, указанных в табл.1 [5].
В табл.1 по результатам расчетов уровней ршф также рассчитана мощность обратного френелевского отражения Ршф на входе ПрОМ для условий: рпер = 0 дБм, 2ар = 8 дБ. Из-за затухания в ЭКУ мощность отраженного сигнала от дальнего кросса на порядок меньше, чем от ближнего кросса, уже при протяженности оптического волокна (ОВ) 10–12 км, и это отражение можно не учитывать. При организации одноволоконного режима необходимо также учитывать, что из-за технологических допусков при изготовлении разъемных оптических соединителей, появления царапин и микротрещин на торцах ОВ в оптических коннекторах уже после нескольких включений и выключений оптических коннекторов обратное отражение RL для всех типов полировок, кроме угловой АРС, приближается к уровню РС ≈ –30 дБ [5]. Этот факт подтверждают приведенные ниже результаты измерений.
Часть передаваемого оптического сигнала рассеивается на неоднородностях оптического волокна в ЭКУ и возвращается на вход ПрОМ в виде дополнительных шумов рэлеевского рассеяния. Эти шумы создаются всеми оптическими импульсами, проходящими через ОВ. Уровень дополнительного шума на входе ПрОМ от каждого i-го оптического импульса определяется по формуле [6]:
ррi = рпер – 2ар – 2αLi + Gр(ΔL),
где Li – расстояние от ПрОМ до i-го импульса, км; α – коэффициент затухания ОВ на рабочей длине волны ОСП, дБ/км; Gр(ΔL) – коэффициент обратного рэлеевского рассеяния оптического импульса, дБ; ΔL – протяженность отрезка ОВ, на котором создается обратное рэлеевское рассеяние, м.
Величина ΔL зависит от длительности импульса ΔТ:
ΔL = ΔТс/nc,
где с – скорость света в вакууме, nc ≈ 1,5 – показатель преломления сердцевины ОВ.
Тактовый интервал ΔТ обратно пропорционален скорости передачи оптического цифрового сигнала Vпер:
ΔТ = 1/Vпер.
В табл.2 приведены результаты расчетов суммарной мощности шумов на входе ПрОМ от рэлеевского рассеяния Ршр для следующих условий: протяженность ОВ (типа G.652) на ЭКУ L = 12 км, рпер = 0 дБм, 2ар = 8 дБ, α = 0,4 дБ/км, длина волны излучения ПОМ λ = 1,31 мкм (такая длина наиболее часто используется на городских и сельских сетях связи), число оптических импульсов в ОВ в любой момент времени равно числу пробелов (тактовых интервалов с отсутствием импульсов):
nимп = 0,5L/ΔL.
Результаты расчетов показали, что величина шумов от рэлеевского рассеяния на входе ПрОМ не зависит от скорости передачи оптического сигнала, а зависит только от протяженности ОВ. Это объясняется тем фактом, что при увеличении Vпер уменьшается ΔL и увеличивается число импульсов, но при этом уменьшается Gр. При L > 12 км из-за затухания ОВ в прямом и обратном направлениях дальнейшее увеличение Ршр настолько незначительно, что его можно не учитывать.
С учетом всех дополнительных факторов в одноволоконном режиме отношение сигнал/шум:
SNR1 = рпр1 – рш1 = (рпер – aэку – 2ар) – рш1.
При расчете рш1 необходимо учесть, что в одноволоконном режиме на входе ПрОМ сохраняются все шумы двухволоконного режима и добавляются новые шумы одноволоконного режима, поэтому:
рш1 = 10lg[(рш2 + Ршпер + Ршф + Ршр)/1 мВт], дБм.
Уменьшение SNR1 по сравнению с SNR2 на ΔSNR эквивалентно увеличению потерь ЭКУ в одноволоконном режиме на величину
Δаэку = ΔSNR = SNR2 – SNR1 = 2ар – рш2 + рш1.
Чтобы компенсировать уменьшение отношения сигнал/шум в одноволоконном режиме, необходимо уменьшить затухание ЭКУ на Δаэку, и для этого необходимо уменьшить номинальную длину ЭКУ:
Lном1 = Lном2 – (Δаэку/(α + Δα)),
где Lном2 – номинальная длина ЭКУ в двухволоконном режиме, рассчитанная по методике, приведенной в [7], м; α – коэффициент затухания ОВ на рабочей длине волны ОСП, дБ/км; Δα – увеличение коэффициента затухания из-за сварных соединений в муфтах.
Если рассчитанная Lном1 равна или превышает реальную длину ОВ на ЭКУ, то возможен перевод действующей ОСП в одноволоконный режим, если Lном1 меньше реальной длины ОВ, то перевод в одноволоконный режим приведет к увеличению Кош на регенерационном участке ОСП. При этом возможно такое увеличение Кош, которое приведет к срыву тактовой и цикловой синхронизации ОСП.
Для исследований особенностей перевода действующих ОСП в одноволоконный режим, в лаборатории КубГУ была организована экспериментальная оптическая система передачи с использованием серийных оптических мультиплексоров "Гвоздь", которые широко используются на современных телекоммуникационных сетях. Структурная схема ОСП приведена на рис.2.
ОСП состоит из оконечных станций А и Б, которые соединяются через оптические волокна элементарного кабельного участка искусственной (учебной) волоконно-оптической линии связи.
Основные технические характеристики оптических мультиплексоров "Гвоздь": организация по двум оптическим волокнам на длине волны излучения 1,31 мкм четырех первичных трактов Е1 и двух каналов передачи данных RS-232; энергетический потенциал W = 40 дБ; рпер = 0 дБм; минимальный уровень приема рпр мин = – 40 дБм; Vпер = 8,5 Мбит/с; приведенный к входу ПрОМ уровень шума в двухволоконном режиме рш2 = – 60 дБм.
Станционное оборудование оконечных станций А и Б кроме оптических мультиплексоров включает в себя цифровые кроссы DDF1 и DDF2. Искусственная ВОЛП состоит из оптических кроссов ODF1, ODF2 и оптических волокон на основе трех последовательно включенных нормализующих катушек НК1, НК2, НК3 в каждом направлении (в каждой катушке по 1 км одномодового ОВ с α = 0,4 дБ/км). В обоих направлениях включен также переменный оптический аттенюатор VOA с диапазоном изменения затухания 0–30 дБ.
К одному из цифровых трактов Е1 подключаются анализаторы цифровых потоков BerCut, которые имеют интерфейсы для аналоговых телефонных аппаратов и организации телефонной связи через ОСП.
С использованием экспериментальной ОСП был проведен ряд исследований одноволоконного режима работы.
По рекомендациям, приведенным в [7], рассчитана номинальная длина экспериментальной ОСП в двухволоконном режиме Lном2 = 71,3 км.
Рассчитана мощность ожидаемых шумов на входе ПрОМ: шумы перехода через разветвители Рш пер = 10 нВт; шумы френелевского отражения от ОРС в ближнем кроссе Ршф = 1,6 нВт (табл.1); шумы обратного рэлеевского рассеяния Ршр = 2,9 нВт для протяженности ОВ L = 3 км; шумы на входе ПРОМ в двухволоконном режиме рш2 = 1 нВт.
По этим данным рассчитаны уровень ожидаемых суммарных шумов на входе ПрОМ в одноволоконном режиме:
рш1 = 10lg (15,5 нВт/1 мВт) = –48,1 дБм,
а также ожидаемое уменьшение отношения сигнал/шум ΔSNR = Δаэку = 19,9 дБ по сравнению с двухволоконным режимом.
Рассчитана ожидаемая теоретическая номинальная длина для одноволоконного режима с учетом всех дополнительных факторов:
Lном1 = 71,3 – 19,9/0,45 = 27,1 км.
Эта длина для одноволоконного режима превышает реальную длину оптического волокна L = 3 км (при затухании переменных оптических аттенюаторов аvoa = 0 дБ), следовательно, возможен перевод ОСП в одноволоконный режим.
Исследованы фактические характеристики серийных Y-разветвителей на соответствие их характеристикам, приведенным в технической документации: ар = 4 дБ, Апер = 50 дБ, диапазон длин волн 1,3–1,55 мкм, коннекторы 1, 2, 3 (рис.1) типа UPC. Для этого в соответствии со схемой, приведенной на рис.3, измерены уровни суммарных шумов рш изм на входе измерителя оптической мощности (ИОМ) – шумы переходов через Y-разветвитель и шумы отражения от ОРС в оптическом кроссе. Для измерений используются оптический тестер (ИОИ – источник оптического излучения) и емкость с глицерином, в которую опускается торец ОВ разъемного соединителя, устанавливаемого в оптическом кроссе. Такая схема измерений позволяет минимизировать отражения от торца ОВ разъемного соединителя и исследовать только переходы через Y-разветвитель и отражения от ОРС.
По заявленным техническим характеристикам разветвителей и ОРС UPC (табл.1) ожидаемые уровни этих шумов должны находиться в пределах:
рш ож = 10lg[(10 нВт + 1,6 нВт)/1 мВт] = –49,4 дБм.
Реально измеренные уровни суммарных шумов рш изм для двух разветвителей и десяти оптических соединительных шнуров с разными типами коннекторов (UPC, SPC, PC) значительно превышали эту величину и находились в пределах рш изм = –(25–30) дБм. Величины рш изм значительно больше минимального уровня приема оптических мультиплексоров "Гвоздь" (рпр мин = –40 дБм), поэтому тракт приема мультиплексоров будет воспринимать эти шумы как сигнал от противоположной станции. Практически это означает, что тракт передачи работает на свой тракт приема, т.е. абоненты слышат себя. Этот факт был подтвержден экспериментально после включения ОСП в одноволоконном режиме.
Дальнейшие измерения показали, что превышение рш изм над рш ож происходит из-за значительного увеличения коэффициентов обратного рэлеевского рассеяния RL в ОРС ЭКУ, причины увеличения изложены в [5].
Для уменьшения обратного отражения в одноволоконном режиме необходимо использовать только коннекторы с угловой полировкой АРС. Использование таких коннекторов в данном эксперименте позволило получить рш изм ≈ –(46–47) дБм.
В соответствии с рис.1, экспериментальная ОСП была переведена в одноволоконный режим при затухании аvoa = 0 дБ и установлена устойчивая телефонная связь между оконечными станциями А и Б. Системы контроля мультиплексоров и анализаторы потоков BerCut показали, что коэффициент ошибок в процессе эксперимента не превышал норматив на регенерационном участке Кош < 10–10.
С увеличением затухания VOA фиксировался момент потери телефонной связи между станциями А и Б. При этом возрастал коэффициент ошибок Кош > 10–3 и анализаторы потоков регистрировали сигналы аварии AIS из-за потери синхронизации между мультиплексорами. Далее затухание VOA постепенно уменьшалось до значения, при котором коэффициенты ошибок в каждом направлении уменьшались до нормативного значения, и восстанавливалась телефонная связь. При этом значении VOA измерено общее затухание оптического тракта между ПОМ и ПрОМ мультиплексоров апом-пром = 19,8 дБ, а также затухание оптического аттенюатора аvoa = 10,1 дБ.
Рассчитана экспериментально определенная длина ЭКУ в одноволоконном режиме:
Lном1э = Lов + аvoa/(α + Δα) = 3 + 10,1/0,45 = 25,4 км.
Расхождение между теоретически рассчитанной и экспериментально определенной номинальной длиной ЭКУ можно объяснить тем, что в экспериментальной ОСП на ЭКУ имеется пять ОРС, а в реальной ОСП всего два ОРС (в двух ODF), что приводит к разнице в шумах обратного отражения, а также разницей в реальной протяженности ОВ (в экспериментальной ОСП 3 км, в реальной – примерно 21–25 км), что приводит к разнице в шумах обратного рэлеевского рассеяния.
Предложенная методика организации одноволоконного режима работы ОСП и примеры расчетов основных показателей такого режима могут быть полезны инженерно-техническому персоналу операторов связи.
Литература
1. Волоконно-оптическая техника: современное состояние и перспективы. Сб. ст. под ред. С.А.Дмитриева, Н.Н.Слепова. 3-е изд., перераб. и доп. – М.:Техносфера, 2010.
2. www.rustelcom.ru. Каталоги оборудования ОАО "Первая всероссийская телефонная компания".
3. Лепихов Ю.Н., Зотов А.А. Увеличение емкости волоконно-оптических линий передачи с использованием Y-образных оптических разветвителей. – Электросвязь, 2004, №11.
4. Рождественский Ю.В. Волоконно-оптические разветвители. – Фотон-Экспресс, 2003, №4.
5. Семенов А.Б. Оптические разъемы. – Фотон-Экспресс, 2005, №7.
6. Свинцов А.Г. Рефлектометрические методы измерения параметров ВОЛС. – Фотон-Экспресс, 2006, №6.
7. Былина М.С., Кузнецова Н.С., Глаголев С.Ф., Рык О.Н. Компенсация дисперсии в оптических линейных трактах с использованием DWDM. – Фотон-Экспресс, 2009, №7.
Из-за быстрого развития в последние годы сетей широкополосного абонентского доступа (ШПД), которые можно организовать только с использованием оптических технологий, на таких ВОЛП возникла проблема отсутствия свободных оптических волокон, особенно на сельских сетях связи.
Строительство новых ВОЛП или использование систем спектрального уплотнения в большинстве таких случаев экономически невыгодно или технически нереализуемо.
Наиболее целесообразный способ решения проблемы отсутствия свободных оптических волокон на таких ВОЛП – перевод действующих оптических систем передачи (ОСП) из двухволоконного в одноволоконный режим работы с применением оптических Y-разветвителей. Освободившиеся волокна могут использоваться для организации сетей ШПД. Организация одноволоконного режима работы ОСП и некоторые особенности такого режима кратко описаны в [1], а некоторые производители оборудования ОСП отмечают возможность организации одноволоконного режима в своих каталогах. Например, ОАО "Русская телефонная компания" (Новосибирск) в своем каталоге [2] приводит технические характеристики и стоимость серийно выпускаемого оптического Y-разветвителя для организации одноволоконного режима на своем оборудовании "Транспорт 8 × 30", "Гвоздь", "Супергвоздь" и др. В [3] описан эксперимент по организации одноволоконного режима для действующей ОСП, там рассмотрен только один фактор, влияющий на одноволоконный режим, – увеличение затухания элементарного кабельного участка (ЭКУ) из-за применения Y-разветвителей, но при этом не рассмотрены другие важные влияющие факторы.
К сожалению, во всех этих источниках, а также в другой научно-технической литературе, нет сведений и рекомендаций по организации одноволоконного режима и расчету номинальной длины ЭКУ ВОЛП в этом режиме, уменьшающейся по сравнению с номинальной длиной в двухволоконном режиме. Результаты такого расчета – основа для принятия решения о возможности использования Y-разветвителей для реконструкции действующей ОСП.
Общая схема перевода ОСП в одноволоконный режим работы с использованием оптических Y-разветвителей приведена на рис.1. Передающие оптические модули (ПОМ) мультиплексоров А и Б подключаются к оптическим коннекторам 1 Y-разветвителей, а приемные оптические модули (ПрОМ) – к оптическим коннекторам 2. Коннекторы 3 подключаются к рабочему волокну элементарного кабельного участка ВОЛП через порты оптических кроссов ОК.
В цифровой связи качество передачи сигналов и номинальная длина ЭКУ определяются коэффициентом ошибок по битам (Кош) на регенерационном участке, который зависит от отношения сигнал/шум (SNR) на входе приемного устройства.
В двухволоконном режиме SNR2 определяется по формуле:
SNR2 = рпр2 – рш2 = (рпер – aэку) – рш2,
где рпер – уровень передачи оптического сигнала на выходе ПОМ, дБ; aэку – затухание оптического волокна на ЭКУ, дБ; рпр2 – уровень приема на входе ПрОМ, дБм; рш2 – уровень шумов регенерационного участка, приведенный к входу ПрОМ, дБм.
В одноволоконном режиме появляются новые факторы, уменьшающие SNR1 по сравнению с SNR2.
Из-за дополнительных потерь Y-разветвителей ар в направлениях 1–3 и 3–2 aэку увеличивается на 2ар, соответственно уменьшается SNR1. Величина ар для сварных биконических Y-разветвителей с коэффициентом деления 1/2 находится в пределах 3,5–4 дБ (с учетом сварок выходных оптических вилок внутри разветвителя) [4].
Часть передаваемого оптического сигнала переходит через Y-разветвитель на вход своего ПрОМ, создавая дополнительные переходные шумы с уровнем рш пер = рпер – Апер, где Апер – переходное затухание разветвителя, для сварных биконических Y-разветвителей, находящееся в пределах 50–55 дБ [4]. Если уровень передачи на выходе ПОМ рпер = 0 дБм, то мощность переходных шумов на входе своего ПрОМ в этом случае Рш пер = 3,16–10 нВт.
Часть передаваемого оптического сигнала из-за френелевского отражения в оптических разъемных соединениях (ОРС) оптических кроссов ЭКУ возвращается на вход ПрОМ в виде дополнительных шумов с уровнем
ршф = рпер – 2ар + RL,
где RL – коэффициент обратного (френелевского) отражения в ОРС оптических кроссов. RL зависит от типа полировки оптических коннекторов 3 (рис.1) и находится в пределах, указанных в табл.1 [5].
В табл.1 по результатам расчетов уровней ршф также рассчитана мощность обратного френелевского отражения Ршф на входе ПрОМ для условий: рпер = 0 дБм, 2ар = 8 дБ. Из-за затухания в ЭКУ мощность отраженного сигнала от дальнего кросса на порядок меньше, чем от ближнего кросса, уже при протяженности оптического волокна (ОВ) 10–12 км, и это отражение можно не учитывать. При организации одноволоконного режима необходимо также учитывать, что из-за технологических допусков при изготовлении разъемных оптических соединителей, появления царапин и микротрещин на торцах ОВ в оптических коннекторах уже после нескольких включений и выключений оптических коннекторов обратное отражение RL для всех типов полировок, кроме угловой АРС, приближается к уровню РС ≈ –30 дБ [5]. Этот факт подтверждают приведенные ниже результаты измерений.
Часть передаваемого оптического сигнала рассеивается на неоднородностях оптического волокна в ЭКУ и возвращается на вход ПрОМ в виде дополнительных шумов рэлеевского рассеяния. Эти шумы создаются всеми оптическими импульсами, проходящими через ОВ. Уровень дополнительного шума на входе ПрОМ от каждого i-го оптического импульса определяется по формуле [6]:
ррi = рпер – 2ар – 2αLi + Gр(ΔL),
где Li – расстояние от ПрОМ до i-го импульса, км; α – коэффициент затухания ОВ на рабочей длине волны ОСП, дБ/км; Gр(ΔL) – коэффициент обратного рэлеевского рассеяния оптического импульса, дБ; ΔL – протяженность отрезка ОВ, на котором создается обратное рэлеевское рассеяние, м.
Величина ΔL зависит от длительности импульса ΔТ:
ΔL = ΔТс/nc,
где с – скорость света в вакууме, nc ≈ 1,5 – показатель преломления сердцевины ОВ.
Тактовый интервал ΔТ обратно пропорционален скорости передачи оптического цифрового сигнала Vпер:
ΔТ = 1/Vпер.
В табл.2 приведены результаты расчетов суммарной мощности шумов на входе ПрОМ от рэлеевского рассеяния Ршр для следующих условий: протяженность ОВ (типа G.652) на ЭКУ L = 12 км, рпер = 0 дБм, 2ар = 8 дБ, α = 0,4 дБ/км, длина волны излучения ПОМ λ = 1,31 мкм (такая длина наиболее часто используется на городских и сельских сетях связи), число оптических импульсов в ОВ в любой момент времени равно числу пробелов (тактовых интервалов с отсутствием импульсов):
nимп = 0,5L/ΔL.
Результаты расчетов показали, что величина шумов от рэлеевского рассеяния на входе ПрОМ не зависит от скорости передачи оптического сигнала, а зависит только от протяженности ОВ. Это объясняется тем фактом, что при увеличении Vпер уменьшается ΔL и увеличивается число импульсов, но при этом уменьшается Gр. При L > 12 км из-за затухания ОВ в прямом и обратном направлениях дальнейшее увеличение Ршр настолько незначительно, что его можно не учитывать.
С учетом всех дополнительных факторов в одноволоконном режиме отношение сигнал/шум:
SNR1 = рпр1 – рш1 = (рпер – aэку – 2ар) – рш1.
При расчете рш1 необходимо учесть, что в одноволоконном режиме на входе ПрОМ сохраняются все шумы двухволоконного режима и добавляются новые шумы одноволоконного режима, поэтому:
рш1 = 10lg[(рш2 + Ршпер + Ршф + Ршр)/1 мВт], дБм.
Уменьшение SNR1 по сравнению с SNR2 на ΔSNR эквивалентно увеличению потерь ЭКУ в одноволоконном режиме на величину
Δаэку = ΔSNR = SNR2 – SNR1 = 2ар – рш2 + рш1.
Чтобы компенсировать уменьшение отношения сигнал/шум в одноволоконном режиме, необходимо уменьшить затухание ЭКУ на Δаэку, и для этого необходимо уменьшить номинальную длину ЭКУ:
Lном1 = Lном2 – (Δаэку/(α + Δα)),
где Lном2 – номинальная длина ЭКУ в двухволоконном режиме, рассчитанная по методике, приведенной в [7], м; α – коэффициент затухания ОВ на рабочей длине волны ОСП, дБ/км; Δα – увеличение коэффициента затухания из-за сварных соединений в муфтах.
Если рассчитанная Lном1 равна или превышает реальную длину ОВ на ЭКУ, то возможен перевод действующей ОСП в одноволоконный режим, если Lном1 меньше реальной длины ОВ, то перевод в одноволоконный режим приведет к увеличению Кош на регенерационном участке ОСП. При этом возможно такое увеличение Кош, которое приведет к срыву тактовой и цикловой синхронизации ОСП.
Для исследований особенностей перевода действующих ОСП в одноволоконный режим, в лаборатории КубГУ была организована экспериментальная оптическая система передачи с использованием серийных оптических мультиплексоров "Гвоздь", которые широко используются на современных телекоммуникационных сетях. Структурная схема ОСП приведена на рис.2.
ОСП состоит из оконечных станций А и Б, которые соединяются через оптические волокна элементарного кабельного участка искусственной (учебной) волоконно-оптической линии связи.
Основные технические характеристики оптических мультиплексоров "Гвоздь": организация по двум оптическим волокнам на длине волны излучения 1,31 мкм четырех первичных трактов Е1 и двух каналов передачи данных RS-232; энергетический потенциал W = 40 дБ; рпер = 0 дБм; минимальный уровень приема рпр мин = – 40 дБм; Vпер = 8,5 Мбит/с; приведенный к входу ПрОМ уровень шума в двухволоконном режиме рш2 = – 60 дБм.
Станционное оборудование оконечных станций А и Б кроме оптических мультиплексоров включает в себя цифровые кроссы DDF1 и DDF2. Искусственная ВОЛП состоит из оптических кроссов ODF1, ODF2 и оптических волокон на основе трех последовательно включенных нормализующих катушек НК1, НК2, НК3 в каждом направлении (в каждой катушке по 1 км одномодового ОВ с α = 0,4 дБ/км). В обоих направлениях включен также переменный оптический аттенюатор VOA с диапазоном изменения затухания 0–30 дБ.
К одному из цифровых трактов Е1 подключаются анализаторы цифровых потоков BerCut, которые имеют интерфейсы для аналоговых телефонных аппаратов и организации телефонной связи через ОСП.
С использованием экспериментальной ОСП был проведен ряд исследований одноволоконного режима работы.
По рекомендациям, приведенным в [7], рассчитана номинальная длина экспериментальной ОСП в двухволоконном режиме Lном2 = 71,3 км.
Рассчитана мощность ожидаемых шумов на входе ПрОМ: шумы перехода через разветвители Рш пер = 10 нВт; шумы френелевского отражения от ОРС в ближнем кроссе Ршф = 1,6 нВт (табл.1); шумы обратного рэлеевского рассеяния Ршр = 2,9 нВт для протяженности ОВ L = 3 км; шумы на входе ПРОМ в двухволоконном режиме рш2 = 1 нВт.
По этим данным рассчитаны уровень ожидаемых суммарных шумов на входе ПрОМ в одноволоконном режиме:
рш1 = 10lg (15,5 нВт/1 мВт) = –48,1 дБм,
а также ожидаемое уменьшение отношения сигнал/шум ΔSNR = Δаэку = 19,9 дБ по сравнению с двухволоконным режимом.
Рассчитана ожидаемая теоретическая номинальная длина для одноволоконного режима с учетом всех дополнительных факторов:
Lном1 = 71,3 – 19,9/0,45 = 27,1 км.
Эта длина для одноволоконного режима превышает реальную длину оптического волокна L = 3 км (при затухании переменных оптических аттенюаторов аvoa = 0 дБ), следовательно, возможен перевод ОСП в одноволоконный режим.
Исследованы фактические характеристики серийных Y-разветвителей на соответствие их характеристикам, приведенным в технической документации: ар = 4 дБ, Апер = 50 дБ, диапазон длин волн 1,3–1,55 мкм, коннекторы 1, 2, 3 (рис.1) типа UPC. Для этого в соответствии со схемой, приведенной на рис.3, измерены уровни суммарных шумов рш изм на входе измерителя оптической мощности (ИОМ) – шумы переходов через Y-разветвитель и шумы отражения от ОРС в оптическом кроссе. Для измерений используются оптический тестер (ИОИ – источник оптического излучения) и емкость с глицерином, в которую опускается торец ОВ разъемного соединителя, устанавливаемого в оптическом кроссе. Такая схема измерений позволяет минимизировать отражения от торца ОВ разъемного соединителя и исследовать только переходы через Y-разветвитель и отражения от ОРС.
По заявленным техническим характеристикам разветвителей и ОРС UPC (табл.1) ожидаемые уровни этих шумов должны находиться в пределах:
рш ож = 10lg[(10 нВт + 1,6 нВт)/1 мВт] = –49,4 дБм.
Реально измеренные уровни суммарных шумов рш изм для двух разветвителей и десяти оптических соединительных шнуров с разными типами коннекторов (UPC, SPC, PC) значительно превышали эту величину и находились в пределах рш изм = –(25–30) дБм. Величины рш изм значительно больше минимального уровня приема оптических мультиплексоров "Гвоздь" (рпр мин = –40 дБм), поэтому тракт приема мультиплексоров будет воспринимать эти шумы как сигнал от противоположной станции. Практически это означает, что тракт передачи работает на свой тракт приема, т.е. абоненты слышат себя. Этот факт был подтвержден экспериментально после включения ОСП в одноволоконном режиме.
Дальнейшие измерения показали, что превышение рш изм над рш ож происходит из-за значительного увеличения коэффициентов обратного рэлеевского рассеяния RL в ОРС ЭКУ, причины увеличения изложены в [5].
Для уменьшения обратного отражения в одноволоконном режиме необходимо использовать только коннекторы с угловой полировкой АРС. Использование таких коннекторов в данном эксперименте позволило получить рш изм ≈ –(46–47) дБм.
В соответствии с рис.1, экспериментальная ОСП была переведена в одноволоконный режим при затухании аvoa = 0 дБ и установлена устойчивая телефонная связь между оконечными станциями А и Б. Системы контроля мультиплексоров и анализаторы потоков BerCut показали, что коэффициент ошибок в процессе эксперимента не превышал норматив на регенерационном участке Кош < 10–10.
С увеличением затухания VOA фиксировался момент потери телефонной связи между станциями А и Б. При этом возрастал коэффициент ошибок Кош > 10–3 и анализаторы потоков регистрировали сигналы аварии AIS из-за потери синхронизации между мультиплексорами. Далее затухание VOA постепенно уменьшалось до значения, при котором коэффициенты ошибок в каждом направлении уменьшались до нормативного значения, и восстанавливалась телефонная связь. При этом значении VOA измерено общее затухание оптического тракта между ПОМ и ПрОМ мультиплексоров апом-пром = 19,8 дБ, а также затухание оптического аттенюатора аvoa = 10,1 дБ.
Рассчитана экспериментально определенная длина ЭКУ в одноволоконном режиме:
Lном1э = Lов + аvoa/(α + Δα) = 3 + 10,1/0,45 = 25,4 км.
Расхождение между теоретически рассчитанной и экспериментально определенной номинальной длиной ЭКУ можно объяснить тем, что в экспериментальной ОСП на ЭКУ имеется пять ОРС, а в реальной ОСП всего два ОРС (в двух ODF), что приводит к разнице в шумах обратного отражения, а также разницей в реальной протяженности ОВ (в экспериментальной ОСП 3 км, в реальной – примерно 21–25 км), что приводит к разнице в шумах обратного рэлеевского рассеяния.
Предложенная методика организации одноволоконного режима работы ОСП и примеры расчетов основных показателей такого режима могут быть полезны инженерно-техническому персоналу операторов связи.
Литература
1. Волоконно-оптическая техника: современное состояние и перспективы. Сб. ст. под ред. С.А.Дмитриева, Н.Н.Слепова. 3-е изд., перераб. и доп. – М.:Техносфера, 2010.
2. www.rustelcom.ru. Каталоги оборудования ОАО "Первая всероссийская телефонная компания".
3. Лепихов Ю.Н., Зотов А.А. Увеличение емкости волоконно-оптических линий передачи с использованием Y-образных оптических разветвителей. – Электросвязь, 2004, №11.
4. Рождественский Ю.В. Волоконно-оптические разветвители. – Фотон-Экспресс, 2003, №4.
5. Семенов А.Б. Оптические разъемы. – Фотон-Экспресс, 2005, №7.
6. Свинцов А.Г. Рефлектометрические методы измерения параметров ВОЛС. – Фотон-Экспресс, 2006, №6.
7. Былина М.С., Кузнецова Н.С., Глаголев С.Ф., Рык О.Н. Компенсация дисперсии в оптических линейных трактах с использованием DWDM. – Фотон-Экспресс, 2009, №7.
Отзывы читателей
