В рубрику "Решения операторского класса" | К списку рубрик | К списку авторов | К списку публикаций

Отечественные DWDM-системы связи для ВОЛС со сверхдлинными пролетами

Владимир
Листвин

научный консультант ООО "Т8", д.ф.-м.н.

Олег
Наний

профессор МГУ им. М.В. Ломоносова, д.ф.-м.н.

Алексей
Плоцкий

инженер ООО "Т8"

Владимир
Трещиков

генеральный директор ООО "Т8", к.ф.-м.н.

Волоконно-оптические системы связи со сверхдлинными пролетами используются в тех случаях, когда построение промежуточных усилительных или регенерационных пунктов невозможно или экономически нецелесообразно.

В России

Для России с ее огромными расстояниями, малой населенностью и суровыми климатическими условиями особенно актуальна разработка экономичных линий связи с дальностью передачи информации от 300 до 500 км по малонаселенной и труднодоступной территории. Основные требования к сверхдлинным однопролетным DWDM-системам связи в нашей стране – отсутствие промежуточных пунктов обслуживания и экономичность предлагаемого решения. Ввиду относительно малой населенности этих территорий часто не предъявляются большие требования к скорости передачи (емкости) таких сетей. В то же время экономичность технического решения является ключевым фактором.

В мире

В мировой практике системы связи со сверхдлинными пролетами обычно используются для создания соединений между островами, для соединений между удаленными прибрежными городами или для создания OADM соединений с трансокеанскими сетями [1]. Объем трафика, передаваемого по таким системам связи, достигает нескольких терабит, поэтому в них оправдано применение технически самых совершенных, но дорогих решений.

В настоящей работе продемонстрированы возможности создания экономичных волоконно-оптических линий связи со сверхдлинными пролетами на отечественном оборудовании.

Новое поколение отечественных DWDM-систем связи: достижения в снижении требуемого OSNR

Величина требуемого OSNR является ключевым параметром транспондера, от которого напрямую зависит максимальная длина однопролетной линии связи. Уменьшение на 3 дБ позволяет существенно (30–100 км) увеличить длину однопролетной линии.

Проведенные в течение последних нескольких лет исследования показали, что для уменьшения требуемого OSNR в 10 Гбит/с транспондерах с традиционной амплитудной NRZ-модуляцией могут быть использованы следующие пять технологий [2]:

Оптимизация порога принятия решений. Позволяет снизить требования к принимаемому сигналу на 0,5–2 дБ (по величине OSNR).
Применение нового поколения FEC. Позволяет получить выигрыш в требуемом OSNR до 10 дБ.
Оптимизация параметров оптического сигнала. В разных условиях работы позволяет получить выигрыш в величине требуемого OSNR до 3 дБ.
Использование автоматической компенсации хроматической дисперсии.
Использование приемников с несколькими уровнями сравнения и алгоритмов "мягкой" коррекции ошибок (soft FEC). Ожидаемый выигрыш – до 1,5 дБ.

Реализация четырех первых технологий в новом поколении транспондеров со скоростью 10 Гбит/с обеспечила достижение в них рекордного значения требуемого OSNR – 9,0 дБ и возможность работы при достаточно большой величине остаточной хроматической дисперсии (величина допустимой дисперсии при штрафе 1 дБ составляет 1300 пс/нм)!

Среди множества форматов модуляции с прямым детектированием наиболее перспективными для систем связи с канальной скоростью 40 Гбит/с являются дифференциальные двух- и четырехуровневые фазовые (DPSK и DQPSK) [4].

По величине требуемого OSNR системы, использующие формат NRZ ADPSK, превосходят системы на основе формата DQPSK. Требуемый для обеспечения BER на уровне 10-3 OSNR при использовании NRZ ADPSK на 1,5 дБ меньше, чем при использовании DQPSK-формата. Кроме того, реализация DQPSK-формата значительно сложнее, чем формата ADPSK. В работе [4] отмечена более сильная подверженность этого формата нелинейным искажениям и чувствительность к помехам от соседних каналов при совместной работе с амплитудными 10-гигабитными форматами. Ввиду указанных недостатков формат DQPSK в 40-гигабитных системах со сверхдлинными пролетами менее эффективен, чем формат ADPSK.

При оптимизации параметров транспондера и использовании систем автоматической подстройки приемника по нескольким параметрам достигнуты рекордные для систем связи со скоростью 40 Гбит/с значения параметров [5]:

Величина требуемого OSNR: 11,5 дБ.
Низкая чувствительность к нелинейным искажениям – большая величина допустимой входной мощности и малые нелинейные штрафы.

Технологии, применяемые в системах связи со сверхдлинными пролетами

В простейшем и, следовательно, наиболее экономичном варианте однопролетной линии сигнал передается без использования промежуточных усилителей. Оптические усилители (усилитель мощности и предусилитель) устанавливаются на терминалах линии (см. рис. 1).

Максимальная дальность передачи информации в линии (LMAX) без промежуточных усилителей определяется следующими важнейшими параметрами: требуемым OSNRTOL, оптимальной мощностью на входе PIN, затуханием света в волокне (α), шум-фактором NF оптического предусилителя и величиной штрафа ANL из-за нелинейных искажений [1]:

L_MAX= (58 + P_IN – NF – OSNR_TOL – A_NL)/α

При использовании отечественных 10 Гбит/с транспондеров OSNRTOL (= 9 дБ), предусилителей и оптических кабелей на основе стандартного одномодового волокна с затуханием 0,2 дБ/км длина однопролетной линии без промежуточных усилителей достигает 300 км. Использование специального волокна с сердцевиной из чистого кварца (например, PSCF (G.654)) с потерями α = 0,15 дБ/км и малой величиной поляризационной модовой дисперсии (PMD) позволяет увеличить длину пролета примерно на 30% и довести ее до 400 км.

Увеличить длину пролетов можно при использовании распределенных рамановских усилителей, а также усилителей с удаленной оптической накачкой (ROPA) (см. рис. 2) [1, 8, 10, 11].

На основе численного моделирования нами была выбрана схема с двумя удаленными усилителями (ROPA), расположенными на расстоянии 100 км от начала линии и 100 км от конца линии. В исследованном нами экспериментальном макете однопролетной сверхдальней линии связи (см. рис. 2) на вход линии подавались два канала STM-64 с мощностью 13 дБм. В результате при использовании стандартного волокна с затуханием 0,2 дБ/км, транспондеров 10 Гбит/с с требуемым OSNR 9 дБ, распределенного рамановского усилителя и усилителей с удаленной оптической накачкой длина линии составила 400 км. Суммарный бюджет линии 80 дБ. При использовании волокна с затуханием 0,17 дБ/км или 0,15 дБ/км дальность линии может быть увеличена до 470 и 530 км соответственно.

Выводы

Новое поколение отечественных DWDM-систем связи характеризуется рекордно низким значением требуемого OSNR. В труднодоступных районах России, в тяжелых климатических условиях использование транспондеров со скоростью 10 Гбит/с с рекордно малым значением требуемого OSNR (9 дБ!) позволяет создавать сети связи с необслуживаемыми участками длиной до 450–500 км.

Кроме того, в действующих сетях связи новое поколение транспондеров 10 Гбит/с позволяет увеличить дальность безрегенерационной передачи, снизить энергопотребление, а также использовать старые линии на 2,5G с "плохим" волокном, что соответственно позволит значительно снизить эксплуатационные расходы операторов связи.

Достигнутые в новом поколении отечественных транспондеров значения требуемого OSNR близки к теоретическому пределу для систем с прямым детектированием. Выигрыш порядка 1 дБ может дать использование алгоритмов исправления ошибок в сочетании с многоуровневым детектированием и "мягким" принятием решений (Soft FEC) [2]. Еще примерно на 3 дБ можно улучшить значение требуемого OSNR при использовании когерентного приема [1, 2, 9]. За счет этого и при использовании специальных волокон с минимальным затуханием и увеличенной площадью моды максимальная длина однопролетной линии связи может быть увеличена до 550 км [10, 11].

Литература

Листвин В.Н., Трещиков В.Н. DWDM системы связи. – М., 2012 (в печати).
Трещиков В.Н. Развитие отечественных DWDM систем: от 10 и 40 Гбит/с к 100 Гбит/с. Доклад на конференции "Инфоком 2012" // Гипросвязь. 27.02.2012.
Наний О.Е., Трещиков В.Н. Российское оборудование DWDM с канальной скоростью 40 G и 100 G // Вестник связи. – 2011. – № 4. – С. 52.
Наний О.Е., Трещиков В.Н. Анализ форматов модуляции для DWDM систем связи со скоростью 40 Гбит/с // Вестник связи. – 2012. – № 1.
Гуркин и др. Характеристики однопролетной системы DWDM с каналами 40 Гбит/с DPSK в сетке 50 ГГц // Электросвязь. – 2012. – № 1.
Наний О.Е. и др. Характеристики многопролетной системы DWDM с каналами 40 Гбит/с DPSK в сетке 50 ГГц // Электросвязь. – 2012 (в печати).
Плаксин С.О. и др. Оптимизация порога принятия решений в оптических системах связи // Т-Comm. – 2011. – № 6. С. 31–33.
Казанцева Н.А., Наний О.Е. Оптимальная спектральная область работы ВОЛС с одно- и двухкаскадным рамановским усилителем // Вестник Московского университета. Серия 3, физика, астрономия. – 2004. Т. 45. – № 5. С. 70–71.
Наний О.Е. Когерентные системы связи // Lightwave Russian Edition. – 2008. – № 4. С. 23–27.
Bissessur H. State of the art in non repeatered optical transmission // ECOC Technical Digest. – 2011. – Paper Tu.3.B.1.
Bakhshi B., Richardson L., Golovchenko E.A. Ultimate Capacity Limitations in Repeater-less WDM Transmission up to 505 km // OFC/NFOEC Technical Digest. – 2009. – Paper OThC4.