Построение волоконно-оптических систем передачи

Современные телекоммуникационные системы и сети представляют сложный комплекс разнообразных технических средств, обеспечивающих передачу различных сообщений на любые расстояния с заданными параметрами качества. Основу телекоммуникационных систем составляют многоканальные системы передачи по электрическим, волоконно-оптическим кабелям и радиолиниям, предназначенные для формирования типовых каналов и трактов. На основе систем передачи строится телекоммуникационная сеть страны, реализуемая в виде комплексов технологически сопряженных сетей электросвязи общего пользования, ведомственных и частных сетей электросвязи на территории России, охваченная общим централизованным управлением и называемая Взаимоувязанной сетью связи Российской Федерации (ВСС РФ). В последнее время чаще используется термин «Единая сеть электросвязи РФ» (ЕСЭ РФ).

Единая сеть связи как информационная транспортная среда, кроме сетей передачи привычных сообщений, позволяет создать:

— цифровую сеть связи с интеграцией служб, обеспечивающих полностью цифровые соединения между оконечными устройствами (терминалами) для предоставления абонентам широкого спектра услуг по передаче телефонных и нетелефонных сообщений, доступ к которым осуществляется через ограниченный набор стандартизированных многофункциональных интерфейсов;

— интеллектуальную сеть, которая может предоставить абонентам расширенный набор услуг в заданное время в заданном месте, например установление телефонного соединения с оплатой за счет вызываемого абонента, вызов по кредитной карте, общение по сокращенному набору номера, телеголосование и др.;

— сотовые мобильные сети связи, предоставляющие абоненту, находящемуся в движении, возможность получить услуги связи в любом месте;

— широкополосные цифровые сети с интеграцией услуг со скоростью обмена информацией до десятков Гбит/с; высокоскоростные сети на основе транспортирования информации с помощью технологии асинхронного режима переноса (Asynchronous Transfer Mode — ATM) и др.

Сами системы управления представляют собой сложные программно-аппаратные комплексы, поэтому существует граница целесообразности применения системы управления — она зависит от сложности сети, разнообразия применяемого коммуникационного оборудования и степени его распределенности по территории. В небольшой сети можно применять отдельные программы управления наиболее сложными устройствами, например коммутатором, поддерживающим технику VLAN. Обычно каждое устройство, которое требует достаточно сложного конфигурирования, производитель сопровождает автономной программой конфигурирования и управления. Однако при росте сети может возникнуть проблема объединения разрозненных программ управления устройствами в единую систему управления, и для решения этой проблемы придется, возможно, отказаться от этих программ и заменить их интегрированной системой управления.

Сетевое управление состоит из отдельных и независимых задач по управлению разнородными системами. К основным функциям сетевого управления относится:

— Проектирование, установка и обслуживание физической инфраструктуры, соединительных кабелей и коммутационных панелей, тестирование кабелей и проверка их длины.

— Настройка устройств, мостов, маршрутизаторов, коммутаторов и повторителей. Настройка процессов резервирования, архивирования и документирование. Создание и обновление топологических карт, отражение взаимосвязей устройств, определение места хранения конфигурационной информации.

— Мониторинг состояния связей и служб, определение базовых показателей сетевой производительности и ее измерение. Упреждающее и экстренное тестирование неполадок в связях и сетевых службах. Мониторинг безопасности сети.

— Отслеживание сбоев в управляемых компьютерах и устройствах, определение и устранение их причин, исправление их последствий и предотвращение сбоев.

— Управление конфигурированием компьютеров и сетевых устройств (инициализация, переконфигурирование, выключение управляемых сетевых устройств и компьютеров).

— Управление потребление сетевых ресурсов пользователями и группами пользователей (например, регулирование дисковых и иных квот).

— Управление производительностью сетевых устройств и сервисов (с помощью сбора и анализа статистики интенсивности применения и частоты ошибок сетевых устройств и искусственной установки уровня их производительности на основе полученных данных).

— Управление защитой данных с помощью контроля доступа к сетевым ресурсам на основе заранее установленной политики безопасности.

Кроме систем управления сетями существуют и системы управления другими элементами корпоративной сети: системы управления ОС, СУБД, корпоративными приложениями. Применяются также системы управления телекоммуникационными сетями: телефонными, а также первичными сетями технологий PDH и SDH.

Независимо от объекта управления, желательно, чтобы система управления выполняла ряд функций, которые определены международными стандартами, обобщающими опыт применения систем управления в различных областях. Существуют рекомендации ITU-T X.700 и близкий к ним стандарт ISO 7498−4, которые делят задачи системы управления на пять функциональных групп:

— управления конфигурацией сети и именованием;

— обработка ошибок;

— анализ производительности и надежности;

— управление безопасностью;

— учет работы сети.

Рассмотрим задачи этих функциональных областей управления применительно к системам управления сетями.

Управление конфигурацией сети и именованием (Configuration Management). Эти задачи заключаются в конфигурировании параметров как элементов сети (Network Element, NE), так и сети в целом. Для элементов сети, таких как маршрутизаторы, мультиплексоры и т. п., с помощью этой группы задач определяются сетевые адреса, идентификаторы (имена), географическое положение и пр.

Управление конфигурацией (как и другие задачи системы управления) могут выполнятся в автоматическом, ручном или полуавтоматическом режимах. Например, карта сети может составляться автоматически, на основании зондирования реальной сети пакетами-исследователями, а может быть введена оператором системы управления вручную. Чаще всего применяются полуавтоматические методы, когда автоматически полученную карту оператор подправляет вручную. Методы автоматического построения топологической карты, как правило, являются фирменными разработками.

Более сложной задачей является настройка коммутаторов и маршрутизаторов на поддержку маршрутов и виртуальных путей между пользователями сети. Согласованная ручная настройка таблиц маршрутизации при полном или частичном отказе от использования протокола маршрутизации (а в некоторых глобальных сетях, например Х.25, такого протокола просто не существует) представляет собой сложную задачу. Многие системы управления сетью общего назначения ее не выполняют, но существуют специализированные системы конкретных производителей, например система NetSys компании Cisco Systems, которая решает ее для маршрутизаторов этой же компании.

Обработка ошибок (Fault Management). Эта группа задач включает выявление, определение и устранение последствий сбоев и отказов в работе сети. На этом уровне выполняется не только регистрация сообщений об ошибках, но и их фильтрация, маршрутизация и анализ на основе некоторой корреляционной модели. Фильтрация позволяет выделить из весьма интенсивного потока сообщений об ошибках, который обычно наблюдается в большой сети, только важные сообщения, маршрутизация обеспечивает их доставку нужному элементу системы управления, а корреляционный анализ позволяет найти причину, породившую поток взаимосвязанных сообщений (например, обрыв кабеля может быть причиной большого количества сообщений о недоступности сетей и серверов).

Устранение ошибок может быть как автоматическим, так и полуавтоматическим. В первом случае система непосредственно управляет оборудованием или программными комплексами и обходит отказавший элемент за счет резервных каналов и т. п. В полуавтоматическом режиме основные решения и действия по устранению неисправности выполняют люди, а система управления только помогает в организации этого процесса — оформляет квитанции на выполнение работ и отслеживает их поэтапное выполнение (подобно системам групповой работы).

В этой группе задач иногда выделяют подгруппу задач управления проблемами, подразумевая под проблемой сложную ситуацию, требующую для разрешения обязательного привлечения специалистов по обслуживанию сети.

Анализ производительности и надежности (Performance Management). Задачи этой группы связаны с оценкой на основе накопленной статистической информации таких параметров, как время реакции системы, пропускная способность реального или виртуального канала связи между двумя конечными абонентами сети, интенсивность трафика в отдельных сегментах и каналах сети, вероятность искажения данных при их передаче через сеть, а также коэффициент готовности сети или ее определенной транспортной службы. Функции анализа производительности и надежности сети нужны как для оперативного управления сетью, так и для планирования развития сети.

Результаты анализа производительности и надежности позволяют контролировать соглашение об уровне обслуживания (Service Level Agreement, SLA), заключаемое между пользователем сети и ее администраторами (или компанией, продающей услуги); Обычно в SLA оговариваются такие параметры надежности, как коэффициент готовности службы в течение года и месяца, максимальное время устранения отказа, а также параметры производительности, например, средняя и максимальная пропускная способности при соединении двух точек подключения пользовательского оборудования, время реакции сети (если информационная служба, для которой определяется время реакции, поддерживается внутри сети), максимальная задержка пакетов при передаче через сеть (если сеть используется только как транзитный транспорт). Без средств анализа производительности и надежности поставщик услуг публичной сети пли отдел информационных технологий предприятия не сможет ни проконтролировать, ни тем более обеспечить нужный уровень обслуживания для конечных пользователей сети

Управление безопасностью (Security Management). Задачи этой группы включают в себя контроль доступа к ресурсам сети (данным и оборудованию) и сохранение целостности данных при их хранении и передаче через сеть. Базовыми элементами управления безопасностью являются процедуры аутентификации пользователей, назначение и проверка прав доступа к ресурсам сети, распределение и поддержка ключей шифрования, управления полномочиями и т. п. Часто функции этой группы не включаются в системы управления сетями, а реализуются либо в виде специальных продуктов (например, системы аутентификации и авторизации Kerberos, различных защитных экранов, систем шифрования данных), либо входят в состав операционных систем и системных приложений.

Учет работы сети (Accounting Management). Задачи этой группы занимаются регистрацией времени использования различных ресурсов сети — устройств, каналов и транспортных служб. Эти задачи имеют дело с такими понятиями, как время использования службы и плата за ресурсы — billing. Ввиду специфического характера оплаты услуг у различных поставщиков и различными формами соглашения об уровне услуг, эта группа функций обычно не включается в коммерческие системы и платформы управления типа HP Open View, а реализуется в заказных системах, разрабатываемых для конкретного заказчика:

Модель управления OSI не делает различий между управляемыми объектами — каналами, сегментами локальных сетей, мостами, коммутаторами и маршрутизаторами, модемами и мультиплексорами, аппаратным и программным обеспечением компьютеров, СУБД. Все эти объекты управления входят в общее понятие «система», и управляемая система взаимодействует с управляющей системой по открытым протоколам OSI.

Однако на практике деление систем управления по типам управляемых объектов широко распространено. Ставшими классическими системы управления сетями, такие как StinNet Manager, HP OpenView или Cabletron Spectrum, управляют только коммуникационными объектами корпоративных сетей, то есть концентраторами и коммутаторами локальных сетей, а также маршрутизаторами и удаленными мостами, как устройствами доступа к глобальным сетям. Оборудованием территориальных сетей обычно управляют системы производителей телекоммуникационного оборудования, такие как RADView компаний RAD Data Communications, MainStreetXpress 46 020 компании Newbridge и т. п.

Рассмотрим, как преломляются общие функциональные задачи системы управления, определенные в стандартах X.700/ISO 7498−4, в задачи такого конкретного класса систем управления, как системы управления компьютерами и их системным и прикладным программным обеспечением. Их называют системами управления системой (System Management System). Обычно система управления системой выполняет следующие функции: Учет используемых аппаратных и программных средств (Configuration Management). Система автоматически собирает информацию об установленных в сети компьютерах и создает записи в специальной базе данных об аппаратных и программных ресурсах. После этого администратор может быстро выяснить, какими ресурсами он располагает и где тот или иной ресурс находится, например, узнать о том, на каких компьютерах нужно обновить драйверы принтеров, какие компьютеры обладают достаточным количеством памяти, дискового пространства и.т. п.

— Распределение и установка программного обеспечения (Configuration Management), После завершения обследования администратор может создать пакеты рассылки нового программного обеспечения, которое нужно инсталлировать на всех компьютерах сети или на какой-либо группе компьютеров. В большой сети, где проявляются преимущества системы управления, такой способ инсталляции может существенно уменьшить трудоемкость этой процедуры. Система может также позволять централизованно устанавливать и администрировать приложения, которые запускаются с файловых серверов, а также дать возможность конечным пользователям запускать такие приложения с любой рабочей станции сети.

— Удаленный анализ производительности и возникающих проблем (Fault Management and Performance Management). Эта группа функций позволяет удаленно измерять наиболее важные параметры компьютера, операционной системы, СУБД и т. д. (например, коэффициент использования процессора, интенсивность страничных прерываний, коэффициент использования физической памяти, интенсивность выполнения транзакций). Для разрешения проблем эта группа функций может давать администратору возможность брать на себя удаленное управление компьютером в режиме эмуляции графического интерфейса популярных операционных систем. База данных системы управления обычно хранит детальную информацию о конфигурации всех компьютеров в сети для того, чтобы можно было выполнять удаленный анализ возникающих проблем.

Примерами систем управления системами являются Microsoft System Management Server (SMS), CA Umcenter, HP Operationscenter и многие другие.

Как видно из описания функций системы управления системами, они повторяют функции системы управления сетью, но только для других объектов. Действительно, функция учета используемых аппаратных и программных средств соответствует функции построения карты сети, функция распределения и установки программного обеспечения — функции управления конфигурацией коммутаторов и маршрутизаторов, а функция анализа производительности и возникающих проблем — функции производительности.

Эта близость функций систем управления сетями и систем управления системами позволила разработчикам стандартов OSI не делать различия между ними и разрабатывать общие стандарты управления.

На практике уже несколько лет также заметна отчетливая тенденция интеграции систем управления сетями и системами в единые интегрированные продукты управления корпоративными сетями, например CA Unicenter TNG или ТМЕ-10 IBM/Tivoli. Наблюдается также интеграция систем управления телекоммуникационными сетями с системами управления корпоративными сетями.

1. Основы построения волоконно-оптических систем передачи

1.1 Общие принципы построения волоконно-оптических систем передачи

Основным направлением развития телекоммуникационных систем является широкое применение волоконно-оптических систем передачи. Волоконно-оптические системы передачи (ВОСП) это совокупность оптических устройств и оптических линий передачи, обеспечивающая формирование, обработку и передачу оптических сигналов. Физической средой распространения оптических сигналов являются волоконно-оптические или, просто, оптические кабели и создаваемые на их основе волоконно-оптические линии связи (ВОЛС). Совокупность ВОСП и ВОЛС образует волоконно-оптическую линию передачи (ВОЛП). Без широкого использования ВОЛС невозможно развитие телекоммуникационных технологий в области телефонной и телеграфной связи, кабельного телевидения и факсимильной связи, передачи данных, создания единой цифровой сети с интеграцией служб СЦИО (Integrated Services Digital Network ISDN), внедрения на телекоммуникационных сетях технологии асинхронного способа передачи (Asynchronous Transfer Mode ATM) и построения транспортных сетей на основе синхронной цифровой иерархии СЦИ (Synchronous Digital Hierarchy SDH). Область применения ВОСП не ограничивается передачей любых видов сообщений практически на любые расстояния с наивысшими скоростями, а имеет более широкий спектр, от бортовых систем (самолетов, кораблей и др.) до локальных и глобальных волоконно-оптических телекоммуникационных сетей.

В ВОСП передача сообщений осуществляется посредством световых волн от 0,1 мкм до 1 мм. Диапазоны длин волн (или частот), в пределах которых обеспечиваются наилучшие условия распространения световых волн по оптическому волокну, называются его окнами прозрачности.

В настоящее время для построения ВОСП используются длины волн

от 0,8 мкм до 1,65 мкм (в дальнейшем предполагается освоение и более длинных волн 2,4 и 2,6 мкм), называемые инфракрасным излучением (просто светом) или оптическим излучением (ОМ).

Для увеличения дальности передачи за счет наилучшего распространения световой волны были исследованы различные оптические волноводы, называемые оптическими волокнами (ОВ) или световодами, под которыми понимаются направляющие каналы для передачи оптического излучения, состоящие из сердцевины, окруженной оболочкой (оболочками). ОВ в сочетании с оптоэлектронными технологиями (генерация оптического излучения, его усиление, прием, обработка оптических сигналов и др.) дали развитие современному направлению техники, носящему название волоконной оптики раздела оптики, рассматривающего передачу излучения по волоконным световодам оптическим волокнам.

Световые сигналы издавна использовались для передачи сообщений, но первая попытка использовать их для передачи речевых сигналов, была осуществлена в 1882 г. американским изобретателем А. Г. Беллом. «В одном из заседаний американского общества ученых Белл демонстрировал новый прибор, который он назвал фотофоном, на том основании, что аппарат этот служил для передачи звуков при помощи светового луча, причем нет надобности оба корреспондирующие пункта соединять проволокою, как при действии телефонами, а необходимо одно только условие, чтобы луч света из передающего пункта мог беспрепятственно достигнуть принимающей стороны».

Однако из-за успешного развития в конце XIX века воздушных и кабельных линий связи, изобретения радио А. С. Поповым, оптические способы передачи сообщений были надолго забыты.

Современная эра оптической связи началась с изобретения в 1958 г. и последовавшим вскоре созданием первых лазеров (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation LASER) и создания на их основе оптических квантовых генераторов (ОКГ) в 1961 г. По сравнению с обычными источниками оптического излучения лазерное излучение обладает высокой монохроматичностью и когерентностью и имеет очень большую интенсивность и поэтому было совершенно естественно использовать его в качестве несущего колебания в системах передачи. Лазерное излучение открывало возможность получения исключительно широкой полосы пропускания при условии осуществления его модуляции в полосе частот, составляющей всего несколько процентов от основной частоты излучения лазера. В самом деле, лазерная система передачи на гелий-неоновом лазере (длина волны в свободном пространстве мкм, частота Гц) имеет полосу пропускания 4700 ГГц (1% от основной частоты), в которой можно разместить одновременно около миллиона телевизионных каналов.

В 60-е годы прошлого столетия было предложено много технических решений по осуществлению различных видов модуляции лазерного излучения (частотная, фазовая, амплитудная, по интенсивности и поляризации, импульсной), а также был создан ряд лазерных систем передачи, использующих распространение света в свободном пространстве, называемых открытыми системами связи.

Открытые системы связи из-за ряда своих недостатков (высокая требуемая точность наведения антенн передатчика и приемника, низкий КПД оптических излучателей, высокий уровень шумов в приемнике, влияние характеристик атмосферы на надежность связи) не нашли широкого применения для использования в телекоммуникационных сетях и системах общего пользования.

В это же время широко проводились эксперименты по созданию направляющих систем, в которых лазерный пучок вводился в канал передачи с помощью линз, располагаемых друг от друга на расстоянии 10 … 100 м. Дальнейшие исследования и разработки в этом направлении привели к идеи использования длинных оптических волокон (ОВ), подобных тем, которые использовались в эндоскопии и других областях, и были заложены основы волоконно-оптической связи.

Основной причиной, сдерживавшей практическую реализацию этой идеи, было большое затухание сигнала в таком ОВ, доходившее

до 1000 дБ/км. Если бы удалось уменьшить затухание в стекле в инфракрасной области спектра до 20 дБ/км, то стало бы возможным создание практических волоконно-оптических систем передачи. Работы в этом направлении привели к тому, что в 1975 г. в лабораторных условиях были получены ОВ с затуханием до 2 дБ/км и в 1979 г. были достигнуты потери порядка 0,2 дБ/км.

К 1980 г. во многих странах выпускали ОВ с потерями менее 10 дБ/км и были созданы надежные полупроводниковые источники оптического излучения и фотодетекторы (приемники оптического излучения) и стали проводиться всесторонние испытания волоконно-оптических линий связи (ВОЛС), включаемых в обычные телефонные сети. Наступила эра волоконно-оптических систем передачи (ВОСП) и соответствующих им телекоммуникационных, оптоэлектронных и компьютерных технологий.

Нижеперечисленные достоинства ВОЛС обеспечили их быстрое и широкое применение:

1. Возможность получения ОВ с параметрами, обеспечивающими расстояние между ретрансляторами не менее 100… 150 км.

2. Производство оптических кабелей (ОК) с малыми габаритными размерами и массой при высокой информационной пропускной способности.

3. Постоянное и непрерывное снижение стоимости производства оптических кабелей и совершенствование технологии их производства.

4. Высокая защищенность от внешних электромагнитных воздействий и переходных помех.

5. Высокая скрытность связи (утечка информации): ответвление сигнала возможно только при непосредственном подсоединении к отдельному волокну.

6. Гибкость в реализации требуемой полосы пропускания: ОВ различных типов позволяют заменить электрические кабели в цифровых системах передачи всех уровней иерархии.

7. Возможность постоянного совершенствования ВОСП по мере появления новых источников оптического излучения, оптических волокон, фотоприемников и усилителей оптического излучения с улучшенными характеристиками или при повышении требований к их характеристикам при полном сохранении совместимости с другими системами передачи.

8. Соответствующим образом спроектированные ВОЛС относительно невосприимчивы к неблагоприятным температурным условиям и влажности и могут быть использованы для подводных кабелей.

9. Надежная техника безопасности (безвредность во взрывоопасных средах, отсутствие искрения и короткого замыкания), возможность обеспечения полной электрической изоляции.

В настоящее время на многих ВОЛС общего пользования используются скорости передачи до 622 Мбит/с, но все большее применение получают ВОСП на скорости передачи 2,5 Гбит/с и выше. По таким ВОЛС можно организовать от 7680 до 100 000 каналов тональной частоты (КТЧ) или основных цифровых каналов (ОЦК) с пропускной способностью 64 кбит/с. В настоящее время разработаны ВОСП на скорости до 40 Гбит/с.

Эти возможности не являются предельными: спектральное уплотнение (СУ) и когерентный прием позволят на несколько порядков увеличить суммарную скорость передачи информации по ВОЛС. Если обратиться к третьему окну прозрачности ОВ шириной 140 мкм на длине волны 1,55 мкм, то в нем можно разместить до 630 спектральных каналов (СК) при разносе частот между ними 24 ГГц и скорости передачи 2,4 Гбит/с в каждом. Это соответствует примерно суммарной скорости 1,5 Тбит/с или 23 млн КТЧ или ОЦК.

Для описания параметров оптических кабелей и компонент ВОСП используется как частота, так и длина волны оптического излучения. Поэтому полезно знать соотношения между этими переменными, что особенно важно при описании полос пропускания в терминах отклонений длины волны или частоты.

Связь между длиной волны и частотой оптического сигнала определяются соотношением

где длина волны оптического излучения в среде распространения;

частота сигнала; с скорость света в среде распространения.

Скорость света при распространении его через оптически прозрачный материал, в свою очередь, связана с его показателем преломления следующим образом:

здесь скорость света, равная 300 000 000 м/с; n показатель преломления среды распространения оптического сигнала.

Очевидно, что длина волны оптического сигнала изменяется с изменением показателя преломления среды

где называется длиной волны в свободном пространстве, т. е. длиной волны, которая будет измерена в вакууме.

Очень часто особое значение приобретает разница между длинами волн или разница частот. Важно знать, как можно преобразовать эти две переменные, как они между собой связаны:

или

.

Эти уравнения весьма полезны, так как часто возникает необходимость преобразования данных параметров из одних единиц измерения в другие.

Обобщенная структурная схема волоконно-оптической системы передачи

В состав волоконно-оптической системы передачи (ВОСП) входят следующие технические средства:

1. Каналообразующее оборудование (КОО) тракта передачи, обеспечивающее формирование определенного числа типовых каналов или типовых групповых трактов со стандартной шириной полосы пропускания или скоростью передачи.

2. Оборудование сопряжения (ОС) тракта, необходимое для сопряжения параметров многоканального сигнала на выходе КОО с параметрами оптического передатчика.

3. Оптический передатчик (ОПер), обеспечивающий преобразование электрического сигнала в оптический сигнал, длина волны которого совпадает с одним из окон прозрачности оптического волокна; в состав ОПер входят: источник оптического излучения (ИОИ) оптической несущей, один или несколько параметров которой модулируются электрическим многоканальным сигналом, поступающим с ОС, и согласующее устройство (СУ), необходимое для ввода оптического излучения в волокно оптического кабеля с минимально возможными потерями; как правило, источник оптического излучения и согласующее устройство образуют единый блок, называемый передающим оптическим модулем (ПОМ).

4. Оптический кабель, волокна которого служат средой распространения оптического излучения.

5. Оптический ретранслятор (ОР), обеспечивающий компенсацию затухания сигнала при его прохождении по оптическому волокну (ОВ) и коррекцию различного вида искажений; (ОР) могут быть обслуживаемыми или необслуживаемыми и устанавливаются через определенные расстояния, называемые ретрансляционными участками; в ОР может производиться обработка (усиление, коррекция, регенерация и т. д.) как электрического сигнала, который получается путем преобразования оптического сигнала и последующего преобразования скорректированного электрического сигнала в оптический, так и оптического сигнала с помощью оптических квантовых усилителей.

6. Оптический приемник (ОПр), обеспечивающий прием оптического излучения и преобразования его в электрический сигнал; ОПр включает в себя согласующее устройство (СУ), необходимое для вывода оптического излучения из ОВ с минимальными потерями, и приемник оптического излучения (ПОИ); совокупность согласующего устройства и приемника оптического излучения представляет приемный оптический модуль (ПРОМ).

7. Оборудование сопряжения (ОС) тракта приема, преобразующее сигнал на выходе ПРОМ в многоканальный сигнал соответствующего КОО.

8. Каналообразующее оборудование (КОО) тракта приема, осуществляющее обратные преобразования многоканального сигнала в сигналы отдельных типовых каналов и трактов.

Обобщенная структурная схема ВОСП приведена на рис. 1.1.

Рисунок 1.1 — Обобщенная структурная схема волоконно-оптической системы передачи: а тракт передачи; б тракт приема

Для модуляции оптической несущей многоканальным электрическим сигналом можно использовать частотную (ЧМ), фазовую (ФМ), амплитудную (AM), поляризационную (ПМ) модуляции, модуляцию по интенсивности (МИ) и др.

При фиксированных пространственных координатах мгновенное значение электрического поля монохроматического оптического излучения можно записать в виде

где амплитуда поля; и соответственно частота и фаза оптической несущей. Тогда мгновенное значение интенсивности оптического излучения

а усредненное значение по периоду

.

Величина называется средней интенсивностью или мощностью оптического излучения.

При модуляции интенсивности (МИ) именно величина изменяется в соответствии с модулирующим многоканальным сигналом.

Обладая волновой природой, оптическое излучение в то же время является дискретным. Оно излучается и поглощается только в виде дискретных квантов фотонов с энергией, где постоянная Планка. Поэтому мощность оптического излучения можно характеризовать интенсивностью потока фотонов (числом в единицу времени), которая и модулируется многоканальным сигналом.

Отметим, что МИ нашла самое широкое применение при построении волоконно-оптических систем передачи, так как приводит к относительно простым техническим решениям при реализации устройств управления (модуляции) интенсивностью излучения полупроводниковых источников и обратного преобразования оптического сигнала в электрический, т. е. демодуляции.

Классификация волоконно-оптических систем передачи

Существует разнообразная классификация ВОСП, но в основном применяется следующая.

1. ВОСП в зависимости от применяемого каналообразующего оборудования делятся на:

— аналоговые волоконно-оптические системы передачи (АВОСП), если каналообразующее оборудование строится на основе аналоговых методов модуляции параметров гармонической несущей частоты (амплитудная, частотная, фазовая модуляции и их комбинации) или параметров периодической последовательности импульсов (амплитудно-импульсная, широтно-импульсная, фазоимпульсная модуляции и их комбинации);

— цифровые волоконно-оптические системы передачи (ЦВОСП), если каналообразующее оборудование строится на основе импульсно-кодовой модуляции, дельта-модуляции и их разновидностей; самое широкое применение находят ЦВОСП.

2. ВОСП в зависимости от способа модуляции оптического излучения подразделяются на:

— волоконно-оптические системы передачи с модуляцией интенсивности оптического излучения и соответствующей его демодуляции, называемые иногда прямой модуляцией и широко применяемой в большинстве ЦВОСП;

— волоконно-оптические системы передачи с аналоговыми методами модуляции оптического излучения (оптической несущей): амплитудной, фазовой, частотной модуляциями и их комбинациями.

3. ВОСП в зависимости от способа приема или демодуляции оптического сигнала подразделяются на:

— волоконно-оптические системы передачи с прямой демодуляцией или непосредственным приемом, при котором происходит непосредственное преобразование интенсивности оптического излучения в электрический сигнал, напряжение или ток которого однозначно отражают изменение интенсивности оптического сигнала;

— когерентные волоконно-оптические системы передачи, в которых применяется гетеродинное или гомодинное преобразование частоты независимо от вида модуляции (синхронная или несинхронная) оптического излучения, осуществляемое на промежуточной частоте. При гетеродинном приеме одновременно с оптическим сигналом частоты на фотодетектор подается достаточно мощное оптическое излучение местного гетеродина с частотой, на выходе фотодетектора выделяется промежуточная частота, на которой и осуществляются дальнейшие преобразования оптического сигнала в электрический. При гомодинном методе приема частоты колебаний принимаемого оптического излучения и местного гетеродина должны быть одинаковыми (), а фазы синхронизированы.

4. ВОСП в зависимости от способа организации двусторонней связи ВОСП подразделяются на:

— двухволоконную однополосную однокабельную, при которой передача и прием оптических сигналов ведутся по двум оптическим волокнам (ОВ) и осуществляются на одной длине волны ;

— одноволоконную однополосную однокабельную, особенностью которой является использование одного оптического волокна для передачи сигналов в двух направлениях на одной и той же длине волны;

— одноволоконную двухполосную однокабельную, при которой передача в одном направлении ведется на длине волны оптического излучения, а в другом .

5. По назначению и дальности передачи ВОСП подразделяются на:

— магистральные ВОСП, предназначенные для передачи сообщений на тысячи километров и соединяющих между собой центры республик, краев, областей, крупные промышленные и научные центры и др.;

— зоновые ВОСП, предназначенные для организации связи в административных пределах республик, краев, областей и протяженностью до 600 км;

— ВОСП для местных сетей, предназначенные для организации межстанционных соединительных линий на городских и сельских телефонных сетях;

— ВОСП для распределения информации, обеспечивающие связь между вычислительными машинами, организацию локальных компьютерных сетей и сетей кабельного телевидения.

6. По методам уплотнения оптического волокна, в основе которых лежит процесс мультиплексирования ВОСП подразделяются на:

— ВОСП со спектральным уплотнением или мультиплексированием с разделением длин волн, при котором по одному ОВ одновременно передается несколько спектрально разнесенных оптических несущих, каждая из которых модулируется многоканальный сигналом, сформированным соответствующим каналообразующим оборудованием;

— ВОСП с частотным или гетеродинным уплотнением, при котором в системах передачи исходным многоканальным сигналам различных источников в линейных трактах отводятся определенные полосы частот;

— цифровые ВОСП с временным уплотнением (с временным мультиплексированием), при котором несколько информационных или компонентных потоков объединяются в один, и для передачи каждого компонентного потока по одному ОВ отводится свой временной интервал.

Способы организации двусторонней связи на основе волоконно-оптических систем передачи

В случае организации двухволоконной однокабельной однополосной ВОСП, передача и прием оптических сигналов ведутся по двум оптическим волокнам (ОВ) и осуществляются на одной длине волны. Каждое ОВ является эквивалентом двухпроводной физической цепи и, так как взаимные влияния между оптическими волокнами кабеля отсутствуют, то тракты передачи и приема различных систем организуются по одному кабелю,

т. е. такие ВОСП являются однокабельными однополосными.

Принцип построения двухволоконной однокабельной однополосной ВОСП показан на рис. 1.2, где приняты обозначения: КОО канало-образующее оборудование; ОС оборудование сопряжения;

ОПер оптический передатчик; ОВ оптическое волокно; Опр оптический приемник. Достоинством такой ВОСП является использование однотипного оборудования трактов передачи и приема оконечных и промежуточных станций, а недостатком весьма низкий коэффициент использования пропускной способности ОВ.

Рисунок 1.2 Принцип построения двухволоконной однокабельной однополосной ВОСП

В случае организации одноволоконной однокабельной однополосной ВОСП используют одно оптическое волокно для передачи сигналов в двух направлениях на одной и той же длине волны; на рис. 1.3 к ранее принятым обозначениям добавились следующие: ОРУ оптическое развязывающее устройство, осуществляющее поляризацию световых волн или разделение типов направляемой волны оптического излучения.

В случае организации одноволоконной однокабельной двухполосной ВОСП передача в одном направлении ведется на длине волны оптического излучения, а в другом. Разделение направлений передачи осуществляется с помощью направляющих оптических фильтров (ОФ), настроенных на соответствующие длины волн оптического излучения; обобщенная схема такого способа организации двусторонней связи приведена на рис. 1.4.

Рисунок 1.3 Принцип построения одноволоконной однополосной однокабельной ВОСП

Рисунок 1.4 Принцип построения одноволоконной двухполосной однокабельной ВОСП, направляющие оптические фильтры, выделяющие соответствующие длины волн.

Способы уплотнения оптических кабелей

ВОСП со спектральным уплотнением или мультиплексированием с разделением длин волн (wavelength division multiplexing, WDM) предполагает, что по одному ОВ одновременно передается несколько спектрально разнесенных оптических несущих, каждая из которых модулируется многоканальным сигналом, сформированным соответствующим каналообразующим оборудованием.

Возможность построения таких систем основывается на сравнительно слабой зависимости коэффициента затухания ОВ в пределах соответствующего окна прозрачности от частоты (или длины волны) оптической несущей. Поэтому, применяя метод частотного разделения, по одному ОВ можно организовать несколько широкополосных оптических каналов, увеличив тем самым результирующую скорость передачи информации.

Структурная схема ВОСП со спектральным разделением оптических каналов показана на рис. 1.5, где к уже принятым обозначениям добавляются новые: ОФМС оборудование формирования многоканального сигнала, представляющего совокупность каналообразующего оборудования (КОО) и оборудования сопряжения (ОС), предназначенного для формирования электрического сигнала, параметры которого согласованы с оптическим передатчиком (ОПер) и оптическим приемником (ОПр); УСО или MUX мультиплексор; УСР или DMUX демультиплексор.

Рисунок 1.5 Структурная схема ВОСП со спектральным разделением

На передающей станции имеются n систем передачи (однотипных или разнотипных), сигналы которых подаются на n оптических передатчиков, излучающих различные оптические несущие .

С помощью УСО осуществляется ввод различных несущих в ОВ.

На приемной стороне в УРС оптические несущие разделяются и подаются на оптические приемники и далее на ОФМС. Таким образом, по одному ОВ организуется n спектрально разделенных оптических каналов, т. е. пропускная способность ОВ увеличивается в n раз по сравнению с традиционным построением оптических систем передачи.

Кроме того, этот метод позволяет обеспечить развитие сетей связи без проведения дополнительных строительных работ, а также создавать разветвленные сети любой структуры с пассивными элементами спектрального уплотнения в местах разделения или выделения световых потоков. При этом расширяются возможности передачи различных сигналов (телефонии, телевидения, телеметрии, передачи данных и др.) с различными скоростями или шириной полосы частот и типами модуляции цифровой и аналоговой. Это обеспечивает создание экономичных многофункциональных телекоммуникационных систем и сетей.

Для объединения и разделения оптических несущих могут использоваться различные оптические спектральные устройства: мультиплексоры, демультиплексоры, работа которых основана на явлениях физической оптики: дисперсия, дифракция и интерференция. В основе структуры мультиплексоров и демультиплексоров может быть оптическая призма, многослойный диэлектрик, дифракционная решетка и др.

ВОСП с частотным или гетеродинным уплотнением. В системах передачи с частотным мультиплексированием исходным многоканальным сигналам различных источников в линейных трактах отводятся определенные полосы частот. В этом случае для получения группового линейного оптического сигнала требуются близко расположенные стабильные оптические несущие. Однако нестабильность частоты оптического излучения, особенно при высокоскоростной модуляции, приводит к тому, что расстояние по спектру между рабочими длинами волн соседних каналов во много раз превышает полосу информационного сигнала. Поэтому для получения близко расположенных спектральных каналов в ВОСП используются различные несущие не от разных источников, а от одного, но достаточно стабильного, с помощью соответствующего сдвига оптической несущей. Уплотнение с таким принципом формирования оптических несущих, называется частотным (гетеродинным) уплотнением.

Структурная схема, поясняющая принцип формирования группового оптического сигнала, приведена на рис. 1.6.

Рисунок 1.6 Схема формирования группового оптического сигнала при частотном уплотнении

Оптическое излучение с выхода источника оптического излучения ИИ, содержащего ряд несущих, поступает на анализатор А₁, представляющий собой спектральную призму Глана-Тейлора, а затем, пройдя четвертьволновую призму на фильтр первого канала Ф₁. Это фильтр пропускает оптическую несущую первого канала к оптическому модулятору ОМ₁ где она и модулируется информационным оптическим сигналом OC₁.

Оптическое излучение с частотами (т.е. кроме) отражается фильтром и возвращается к анализатору А₁. По пути оно вторично проходит через четвертьволновую призму и попадает на анализатор A₂. Оптическая несущая первого канала, промодулированная в OM₁ информационным сигналом, отражаясь от зеркала также возвращается к анализатору А₁.

Плоскость поляризации оптического сигнала, дважды прошедшего четвертьволновую призму, поворачивается на по отношению к плоскости поляризации исходного колебания, в связи с чем световой пучок отклоняется в призме и выходит из нее. Далее общий сигнал поступает на анализатор A₂ и процесс повторяется, с той лишь разницей, что модулируется оптическое излучение с частотой. Таким образом, формируется оптический групповой сигнал, поступающий в оптическое волокно кабеля.

Принимаемый групповой оптический сигнал, содержащий ряд промодулированных оптических несущих, поступает на анализатор А₁ (рис. 1.7), а затем после прохождения через четвертьволновую призму и фильтр первого канала на оптический смеситель ОСМ.

Рисунок 1.7 Схема приема группового оптического сигнала при частотном (гетеродинном) уплотнении

Фильтр Ф₁ пропускает только оптический сигнал с несущей частотой, сигнал с другими частотами отражается и поступает на А₂. Оптическая промодулированная несущая частота перемножается в ОСМ с частотой местного гетеродина Гет, затем промежуточная частота выделяется полосовым фильтром ПФ и поступает на фотодетектор ФД, на выходе которого формируется электрический информационный сигнал. Таким образом, прием осуществляется гетеродинным способом. Аналогично происходит детектирование сигнала во всех остальных каналах.

Достоинства метода частотного (гетеродинного) уплотнения заключаются в том, что длина регенерационного участка за счет гетеродинного приема возрастает до 200 км и значительно повышается коэффициент использования пропускной способности ОВ. Недостатками данного метода является то, что требуется оптический тракт приема и передачи с сохранением поляризации, а также ряд дополнительных устройств: сдвигателей частоты, оптических вентилей, контроллеров поляризации, оптических усилителей, систем автоподстройки частоты и т. п., что значительно усложняет и увеличивает стоимость ВОСП.

Цифровые ВОСП с временным уплотнением (с временным мультиплексированием) предполагают, что несколько информационных или компонентных потоков объединяются в один, и для передачи каждого компонентного потока по одному ОВ отводится свой временной интервал. Объединение может быть осуществлено на уровне электрическихА сигналов и на уровне оптических сигналов.

Временное мультиплексирование на уровне электрических сигналов приведено на рис. 1.8, где приняты следующие обозначения: 1,…, N источники компонентных информационных потоков, представляющих многоканальные электрические сигналы; MUX временной мультиплексор, который, создавая групповой электрический сигнал, последовательно подключает компонентные многоканальные электрические сигналы к общему оптическому передатчику ОПер на определенный временной интервал; ОВ оптическое волокно; ОПр оптический приемник, преобразующий оптический сигнал в групповой электрический, содержащий N компонентных многоканальных электрических сигналов; DMUX временной демультиплексор, распределяет принятые компонентные многоканальные электрические сигналы по соответствующим приемникам 1,…, N.

Рисунок 1.8 Временное мультиплексирование на уровне электрических сигналов

Мультиплексор и демультиплексор должны работать синхронно. Отметим, что компонентные информационные потоки могут быть сформированы как на основе систем передачи с частотным разделением каналов, так и на основе систем передачи на основе импульсных и цифровых методов модуляции.

Схема с временным мультиплексированием (уплотнением) на уровне оптических сигналов приведена на рис. 1.9, где приняты следующие обозначения: оптические передатчики 1,…, N компонентных информационных потоков (многоканальных электрических сигналов аналоговых или цифровых, преобразованных в оптические сигналы); OMUX оптический мультиплесор, осуществляющий задержку оптического сигнала от каждого ОПер на величину (здесь N число компонентных информационных потоков или многоканальных оптических сигналов), объединяющий N многоканальных оптических сигналов в групповой оптический поток и направляющий его в оптическое волокно (ОВ); ODMUX оптический демультиплексор, осуществляющий на приеме обратные преобразования.

Рисунок 1.9 Временное мультиплексирование на уровне оптических сигналов

При временном мультиплексировании как на уровне электрических сигналов, так и на уровне оптических, требуется передача коротких (наносекундных) световых импульсов. Однако передача субнаносекундных импульсов предъявляет чрезвычайно высокие, близкие к предельным, требования к быстродействию оптоэлектронных компонентов оптических передатчиков и приемников ВОСП. Кроме того, скорость передачи или широкополосность оптических трактов ограничивается дисперсионными свойствами ОВ.

Основными достоинствами временного мультиплексирования являются увеличение коэффициента использования пропускной способности ОВ (уже достигнуты скорости передачи до 16 и выше Гбит/с) и возможность создания полностью оптической сети связи.

2 Средства оптической передачи

Передача информации по оптическим линиям связи имеет всего лишь 50-летнюю, но весьма бурную историю. В основе оптической передачи лежит эффект полного внутреннего отражения луча, падающего па границу двух сред с различными показателями преломления. Световод представляет собой тонкий двухслойный стеклянный стержень, у которого показатель преломления внутреннего слоя больше, чем наружного (п₂). Если в торец такого стержня ввести световой луч под углом к оси, не превышающим некоторый критический угол, то луч будет полностью отражаться от поверхности раздела слоев и распространяться вдоль световода. При этом световод можно изгибать (в определенных пределах), и проходящий световой поток также будет изгибаться. Световод, управляемый источник света и фотодетектор образуют канал оптической передачи информации, протяженность которого может достигать десятков километров. Световоды пропускают свет с длиной волны 0,4−3 мкм (400−3000 нм), но пока практически используется только диапазон 600−1600 нм (часть видимого спектра и инфракрасного диапазона). История оптоволоконной передачи началась с коротковолновых (около 800 нм) систем. По мере совершенствования технологий производства излучателей и приемников уходят в сторону более длинных волн — через 1300 и 1500 к 2800 нм, передача которых может быть эффективнее. Высокая частота электромагнитных колебаний этого диапазона (10'³-10^ы Гц) дает потенциальную возможность достижения скорости передачи информации вплоть до терабит в секунду. Реально достижимый предел скорости определяется существующими источниками и приемниками сигналов — в настоящее время освоены скорости до нескольких гигабит в секунду.

2.1 Структура световода и режимы прохождения луча

Устройство световода иллюстрирует рисунок 2.1. Внутренняя часть световода называется сердцевиной (core, иногда переводят как «ядро»), внешняя — оптической оболочкой волокна, или просто оболочкой (cladding). В зависимости от траекторий распространения света различают одномодовое и многомодовое волокно. Многомодовое волокно (multi mode fiber, MMF) имеет довольно большой диаметр сердцевины — 50 или 62,5 мкм при диаметре оболочки 125 мкм или 100 мкм при оболочке 140 мкм. Одномодовое волокно (single mode fiber, SMF) имеет диаметр сердцевины 8 или 9,5 мкм при том же диаметре оболочки. Снаружи оболочка имеет защитное покрытие (coating) толщиной 60 мкм, называемое также защитной оболочкой. Световод (сердцевина в оболочке) с защитным покрытием называется оптическим волокном. Оптоволокно в первую очередь характеризуется диаметрами сердцевины и оболочки, эти размеры в микрометрах записываются через дробь: 50/125, 62,5/125, 100/140, 8/125, 9,5/125 мкм. Наружный диаметр волокна (с покрытием) тоже стандартизован, в телекоммуникациях в основном используются волокна с диаметром 250 мкм. Применяются также и волокна с буферным покрытием, или просто буфером (buffer), диаметром 900 мкм, нанесенным на первичное 250-мкм покрытие.