Optisko blīvēšanas sistēmu attīstība

 

Mūsdienu komunikāciju tirgū vairākiem risinājumiem ir vajadzīgs platjoslas pieslēgums, tādējādi operatoram jāpalielina tīklu kapacitāte pakalpojumu nodrošināšanai. Papildus ir jānodrošina arī nākotnes sistēmas plānu izveide, lai operatora tīkls varētu nodrošināt jaunus pakalpojumus. Šī problēma ir īpaši aktuāla piekļuves tīklos, kur caurlaidspēja ir nepietiekama.

Tiek veikti daudzi mēģinājumi telekomunikāciju piekļuves tīklu caurlaidspējas uzlabošanai, izmantojot telefonu tīklus ar xDSL tehnoloģijām, kabeļu televīzijas tīklus, tomēr ar to palīdzību nevar pilnvērtīgi nodrošināt platjoslas pieslēgumus, jo ir daudz tehnisku šķēršļu. Ne visas tehnoloģijas atbalsta simetrisko datu pārraidi, tas ierobežo to izmantošanu augstas kvalitātes videokonferencēm un citiem risinājumiem, kuras pieprasa augstu simetrisko datu pārraides ātrumu.

Pazeminoties optisko šķiedru un to aparatūras cenai, sāk parādīties risinājumi, kas ļauj izveidot platjoslas piekļuves tīklus un pietiekami garas piekļuves līnijas ar lielu pārraides ātrumu. Viens no risinājumiem ir tā sauktais fiber-to-the home (FTTH) jeb dzīsla katrā mājā, kas vienlaikus izmanto laika un spektrālās blīvēšanas mehānismus ar ATM vai Ethernet pārvadi, tādi risinājumi jau ir pietiekami izplatīti pasaules telekomunikāciju piekļuves tīklu izveidē. Otrs risinājums ir bāzēts uz spektrālo blīvēšanu, kas telekomunikāciju tirgū ir pazīstams kā WDM. Šis risinājums ļauj nodrošināt optisko sakarus gan pilsētas, gan arī maģistrālajos tīklos.

 

Lai palielinātu ŠOPS (šķiedru optikas pārraides sistēmu) caurlaides spēju un pēc iespējas efektīvāk izmantotu OŠ (optiskās šķiedras) caurlaides joslu, kopš 1987. gada, kad tika izstrādāti pirmie optiskie pastiprinātāji, tika sākts darbs, lai radītu optiskās blīvēšanas sistēmas. Vispirms tika attīstītas laikdales (TDM) sistēmas (sk.1.att.) [1-3]. Tomēr, pieaugot prasībām pret informācijas pārraides ātrumu un apjomu, modulācijas un multipleksēšanas aparatūra kļuva tehniski grūti realizējama un ekonomiski neizdevīga, līdz ar to arī ierobežojot šīs tehnoloģijas lietošanas iespējas.

 

 

1. attēls. TDM darbības princips.

 

 

TDM tehnoloģijas izmantošana atļāva palielināt šķiedru optikas līniju caurlaides spēju līdz 10 Gbit/s. Sākotnēji izmantoja TDM sistēmas ar 2,5 Gbit/s ātrumu, līdz pakāpeniski to izdevās palielināt līdz 10 Gbit/s. Šajā pārraides ātrumā TDM sistēmu parametrus sāk ietekmēt tādas OŠ īpašības kā polarizācijas modu dispersija (PMD) un hromatiskā dispersija, līdz ar to ievērojami sāk pasliktināties pārraides kvalitāte.

Tas bija nopietns šķērslis TDM sistēmu attīstībai, piemēram, 40 Gbit/s un augstāku ātrumu realizācijai, kas labi redzams, ievietojot sistēmas parametrus laiks-jauda plaknē. Uz jaudas ass ir atlikti tādi parametri kā lāzera jauda, zudumi šķiedrā un zudumi, kurus ienes komponenti, bet uz laika ass ir atlikti PMD, hromatiskā un modu (daudzmodu šķiedrām) dispersija, kā arī signāla nestabilitāte un pārraides ātrums. Ass krustojumā parādās jaunie parametri, kurus nepieciešams ievērot: lāzera modulācijas dziļums, šķiedras nelinearitāte, relatīvā trokšņu intensitāte RIN (Relative Intensity Noise) un kļūdu koeficients BER (Bit Error Rate) (sk. 2. att.) [3, 4].

 

 

2. attēls. TDM sistēmu parametrus ierobežojošie pamatfaktori.

 

Turpmāko caurlaides joslas palielināšanos nodrošināja alternatīva pieeja – spektrālā blīvēšana pēc viļņu garuma WDM (Wavelength Division multiplexing).

WDM pārraides darbības princips ir līdzīgs kā multipleksēšanā ar kanālu un frekvenčdali, vienīgi tā ir realizēta optiskajā pārraides vidē (sk. 3. att.). WDM principiāla darbība ir bāzēta uz iespēju vienlaikus pārraidīt optiskajā šķiedrā signālus ar atšķirīgiem viļņu garumiem bez interferences. Raidošajā daļā uz multipleksoru tiek padota n ieeju datu plūsma (kodētu ciparu impulsu secība no dažādiem avotiem). Plūsmas pēc tam tiek apstrādātas un modulētas ar optiskajiem modulatoriem, kas pēc tam tiek apvienotas vienā datu plūsmā, kura pēc pastiprināšanas ar tiek pārraidītas šķiedrā. Uztverošajā daļā uztvertais signāls tiek pastiprināts, demultipleksēts un sadalīts, kā rezultātā tiek atjaunota sākotnējā datu plūsma. Sistēma var saturēt arī pastiprinātājus.

 

 

3. attēls. WDM tehnoloģijas darbības shēma.

 

Sākotnēji WDM sistēmās izmantoja no 2 līdz 4 kanāliem, bet, parādoties jaunai tehnoloģijai – blīvai multipleksēšanai pēc viļņu garuma DWDM (Dense Wavelength Division Mmultiplexing), kopējais datu pārraides ātrums pieauga līdz 1 Tbit/s un attālums starp kanāliem ir daži nanometri [5].

Atšķirībā no laika blīvēšanas tīkliem spektrālās blīvēšanas tīklos var nodrošināt augstāku līnijas pārraides ātrumu, jo laika blīvēšanas tīklos zema ātruma datu plūsmas, kuras darbojas ar noteiktu pārraides ātrumu, tiek savstarpēji sinhronizētas un apvienotas vienā augsta pārraides ātruma kanālā. Katrai zema ātruma plūsmai ir piešķirts noteikts periodisks laika intervāls, tādejādi vienas plūsmas pārraides ātrums ir ierobežots ar sistēmas pārraides ātrumu.

Lai veiktu plūsmas ātruma paaugstinājumu, jāpalielina bitu plūsmas ātrums kopējam kanālam. Ātruma palielināšana kopīgajam kanālam sadārdzina sistēmu un padara komplicētāku tās vadību. Turklāt sistēmas elektroniskās daļas ātrdarbīgums ir ierobežots un tādejādi viena kanāla maksimālais pārraides ātrums ir ierobežots.

Optiskās spektrālās blīvēšanas sistēmas atļauj atrisināt šo problēmu, veicot vienlaikus vairāku neatkarīgu kanālu pārraidi pēc to apvienošanas vienā optiskajā šķiedrā, līdz ar to nodrošina sistēmas caurlaide spējas paaugstināšanu un OŠ optimālāku izmantošanu. Jāatzīmē, ka laika un spektrālās blīvēšanas tehnoloģijas var izmantot kopīgi, līdz ar to paaugstinot šķiedras izmantošanas efektivitāti. Šajā gadījumā par nozīmīgu faktoru kļūst izmaksu efektivitāte, jo izmaksas par klientu un par servisu, kā arī izmaksas par kanālu kļūst noteicošas salīdzinājumā ar maģistrāles tīkliem, kur galvenais faktors ir līnijas kapacitāte jeb kopējais pārraides ātrums.

 

 

4. attēls. WDM sistēmu parametrus ierobežojošie pamatfaktori.

 

WDM parametru telpā nepieciešama jauna dimensija – viļņu garums –, un tas apgrūtina WDM sistēmas pamatparametru attēlojumu, ko var redzēt 4. attēlā. [3].

Uz viļņa garuma ass atlikti šādi parametri: spektra stabilitāte, EDFA pastiprinātāja spektra diapazons, centrālais viļņa garums un caurlaides joslas platums. Laika un viļņa garuma parametriem krustojoties, paradās lāzera frekvences deviācija, hromatiskā dispersija, optiskās frekvences stabilitāte un fāzes trokšņi (fāzes pašmodulācija un fāzes šķērsmodulācija).

Viļņa garuma un jaudas savstarpēja ietekme izpaužas tādās parādībās kā pastiprināta spontāna izstarošana (ASE), EDFA pastiprinājums, šķērstraucējumi, Kerra efekti (četru viļņu mijiedarbe, fāzes pašmodulācija) un izkliedes efekti (inducētā Briljuēna izkliede, inducētā Mandelštama–Briljuēna izkliede). Kaut arī WDM tehnoloģija paaugstina tīklu efektivitāti, palielinot caurlaide joslu lielumu un kanālu skaitu, tās lietošanai vajag rūpīgu analīzi un plānošanu [5, 6].

Optiskajā šķiedrā var izdalīt trīs pamatparādības, kas ierobežo WDM sistēmu parametrus: hromatiskā dispersija, polarizācijas modu dispersija un optiskie nelineārie efekti.

DWDM attīstība bija saistīta ar optisko pastiprinātāju izgudrošanu uz leģēta erbija bāzes ap 2000. gadu, paverot iespējas veikt eksperimentus ar pēc iespējas augstāku kanālu blīvumu 1530–1565 nm viļņa garuma diapazonā, līdz ar to nodrošinot visu pārraides kanālu pastiprināšanu optiskajā diapazonā bez optiskā signāla pārveidošanas elektriskajā signālā.

Tā tika standartizētas DWDM sistēmas, kurām tika pieņemti šādi attālumi starp kanāliem: 0,1 nm (12,5 GHz), 0,2 nm (25 GHz), 0,4 nm (50 GHz), 0,8 nm (100 GHz) un 1,6 nm (200 GHz) [12]. ITU-T G.694.1 rekomendācija reglamentē šo kanālu centrālas frekvences, kas ļauj izveidot savietojamus tīklus, izmantojot dažādu ražotāju ierīces. Visas šīs centrālās frekvences atrodas S, C, L diapazonos [2]. DWDM sistēmas, kam attālums starp kanāliem mazāks par 0,4 nm (50 GHz), dažreiz sauc par augsta blīvuma spektrālās blīvēšanas sistēmām HDWDM (High density wavelength division multiplexing). HDWDM sistēmās jāizmanto tīkla komponenti ar precīzu viļņa garuma kontroli, un tā izstarotāju kontrole izslēdz kanāla viļņa garuma izmaiņas temperatūras dēļ. Visādu veidu pasīvo elementu un izstarotāju parametru fluktuācijas var izraisīt kanālu iziešanu no ierindas. DWDM sistēmās bieži izmanto ārējus modulatorus, kas nodrošina augstu pārraides ātrumu (piemēram, virs 10 Gb/s), tomēr temperatūras stabilizācija un ārējo modulatoru izmantošana sadārdzina sistēmu. Vienīgais veids, kā samazināt izmaksas un līdz ar to pavērt iespējas izmantot DWDM pilsētas un piekļuves tīklos, ir izmantot tikai temperatūras kontroli bez viļņu garuma monitoringa un tiešas modulācijas lāzerus ar apmēram 3 nm attālumu starp kanāliem.

Rupjā spektrālā blīvēšana pēc viļņu garuma CWDM (Coarse wavelength division multiplexing) ir viens no WDM risinājumu paveidiem ar līdzīgu struktūru kā parastajam WDM. 5. attēlā ir parādīta visbiežāk izmantotā astoņu kanālu CWDM sistēmas struktūra. Kā redzams, tiek izmantoti divi multipleksori un demultipleksori, kuri sadala astoņus pārraides kanālus ar atšķirīgiem viļņu garumiem. Visi viļņu garumi atbilst ITU-T G.694.2 rekomendācijai, kurā tiek definēti visi 18 CWDM viļņu garumi [19]. Šajā risinājumā pieslēgumam izmanto optisko šķiedru pāri, līdz ar to sistēma ir simetriska.

 

5.attēls. Astoņu kanālu CWDM tīkla struktūra.

Pilsētu tīklos pilnīgi pietiek ar 50-80 km garām līnijām, tāpēc var izmantot lētākus izstarošanas avotus, jo nav vajadzības pēc stabila izstarotā viļņa garuma un augstas izejas jaudas. CWDM sistēmās izmanto lāzerus ar dalīto atgriezenisko saiti (DFB-LD). CWDM gadījumā DFB lāzeriem nav vajadzīga temperatūras stabilizācija, tas samazina to cenu un izmērus, jo nav nepieciešamas papildu kontrolshēmas. Tipiskam DFB lāzeram temperatūras stabilitāte ir 0,08–0,12 nm/ºC, tas ienes centrāla viļņu garuma fluktuācijas ap 6–8 nm temperatūras diapazonā no 0 līdz 70 ºC. Temperatūras izmaiņu ietekmē viļņu garuma nobīde kopā ar lāzera viļņu garuma nobīdi ±3 nm (lāzera izveides procesa rezultātā) izveidojas kopēja lāzera viļņa garuma izmaiņas ±12 nm, tāpēc jāpanāk, lai optiskie filtri nodrošinātu šīs nobīdes filtrāciju.

CWDM risinājumiem tika izvēlēts 20 nm liels attālums starp kanāliem ar aptuveni 13 nm lielu kanāla joslu. Izejas jauda CWDM DFB lāzeriem ir ap 0 dBm ar 0,2 nm lielo optisko joslu. Tāds izejas jaudas līmenis ir pilnīgi pietiekošs, lai nodrošinātu 50–70 km līnijas garumu, ja pārraides ātrums ir 2,5 Gb/s, ar kļūdu koeficientu BER=10^-15. Jauda, ko patērē raidītāja darbināšanai ar tādu izstarotāju, nav lielāka par 1 W uz kanālu (DWDM sistēmās 10 W uz kanālu).

CWDM sistēmās var izmantot arī lāzerus ar vertikālo rezonatoru (VCSEL), kam ir salīdzinoši zema cena un labi tehniskie parametri. VCSEL lāzerus var izmantot pārraidei līdz 50 km pie 1310 nm viļņa garuma ar iekšējo modulāciju un pārraides ātrumiem līdz 2,5 Gb/s. VCSEL lāzeri, kas izgatavoti 1500–1610 nm viļņu garumiem, pagaidām ir dārgi.

Minēto DFB un VCSEL lāzeru izmantošana CWDM risinājumos atļauj apmēram astoņas reizes samazināt raidītāja izmērus un desmit reizes – to barošanai vajadzīgo enerģiju, kas kopumā dod divas trīs reizes zemākas izmaksas tīkla ekspluatācijai salīdzinājumā ar DWDM risinājumiem.

Optisko kanālu sadalei CWDM sistēmās izmanto ierīces uz plēves filtru (TFF) bāzēs. To ienestie zudumi ir pāris dB (8 kanālu ierīcei – 2,5 dB). Ar plēvju filtriem tiek nodrošināta 30 dB liela kanālu izolācija, augsta temperatūras stabilitāte 0,002 nm/ºC, kas nodrošina ±0,07 nm nobīdi ±35 ºC temperatūras izmaiņām. Lai nodrošinātu viļņu sadali ar 20 nm lielu attālumu starp kanāliem, ir vajadzīgi filtri ar maz dielektriskām kārtām salīdzinājumā ar DWDM filtriem (apmēram 50 – CWDM un 150 – DWDM), un tas samazina izgatavošanā vajadzīgo materiāla daudzumu un brāķa lielumu, kas kopumā pazemina izgatavošanas izmaksas apmēram trīs reizes salīdzinājumā ar DWDM sistēmu selektīviem elementiem [6].

Kā jau tika minēts, ITU-T G.694.2 rekomendācijā CWDM risinājumiem tika definēti astoņpadsmit viļņu garumi. Standarta vienmodas optiskā šķiedra (SMF) nevar nodrošināt šīs tehnoloģijas pilnvērtīgu izveidi, jo tajā ir augsti zudumi 1400 nm diapazonā (E diapazons) hidroksīdu jonu () dēļ (skat. 6. att.), kas praktiski izslēdz šī diapazona izmantošanas iespējas CWDM risinājumiem. Šie joni atspoguļo atlikušās ūdens sastāvdaļas, kas palika pēc optiskās šķiedras izgatavošanas. Interesanti ir tas, ka pat tad, ja jaunai SMF optiskajai šķiedrai ir zemi zudumi 1400 nm diapazonā, to labāk neizmantot. Tas saistīts ar to, ka optiskās šķiedras ekspluatācijas laikā tajā iekļūst papildu hidroksīdu joni, tādējādi palielinot zudumus šajā diapazonā. Šī efekta rezultātā SMF šķiedras izmantošana visiem kanāliem ir riskanta [21].

Lai CWDM sistēmās izmantotu visus 18 kanālus, jālieto optiskās šķiedras ar samazinātu hidroksīdu jonu () maksimuma vērtību (ZWPF, LWPF). Šo šķiedru parametri tiek definēti ITU-T G.652c/d rekomendācijās. Šī tipa optiskajās šķiedrās ir samazināta vājinājuma vērtība 1400 nm diapazonā (6. att.).

Neraugoties uz jauna veida optiskās šķiedras izveidi, tirgū lielākoties piedāvā nevis 18 kanālu, bet 16, astoņu un četru kanālu sistēmas. Sešpadsmit kanālu izmantošana saistīta ar vājinājuma straujo pieaugumu diapazonā zem viļņa garuma 1310 nm, kas parādās releja izkliedes dēļ, savukārt astoņu un četru kanālu sistēmas piedāvā kā lētāku risinājumu tīkla caurlaides spājas palielināšanai, un šie risinājumi darbojas S, C, L diapazonā.

Vjačeslavs BOBROVS,

 Jurģis PORIŅŠ,

 Oskars OZOLIŅŠ,

 Ģirts IVANOVS

RTU Telekomunikāciju institūts