ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТЫ СВЕРХДЛИННЫХ ОДНОПРОЛЕТНЫХ ЛИНИЙ СВЯЗИ МЕТОДОМ МОДЕЛИРОВАНИЯ

ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТЫ СВЕРХДЛИННЫХ ОДНОПРОЛЕТНЫХ ЛИНИЙ СВЯЗИ МЕТОДОМ МОДЕЛИРОВАНИЯ

Научная статья

Засс В.М. *

ГБУЗ НИИ ККБ №1, Краснодар, Россия

* Корреспондирующий автор (vladzass[at]mail.ru)

Аннотация

На примере описанной в литературных источниках специалистами Т8  сверхдлинной однопролетной линии связи длиной 502 км с канальной скоростью 100 Гбит/с в среде моделирования OptiSystem была исследована возможность построения точной модели такой сети. При построении модели экспериментальной исследовательской сети были рассчитаны характеристики элементов, описания на которые не были указаны в литературных источниках.  Проведено характеристическое сравнение результатов исследования лабораторной линии и результатов моделирования. По результатам сравнения сделан вывод о работоспособности выбранной среды, а  также о рентабельности замены лабораторной реализации исследуемых линий на компьютерное моделирование.

Ключевые слова: сверхдлинная однопролетная линия связи, моделирование, эрбиевый усилитель, спектр сигнала, BER, среда оптического моделирования OptiSystem, оптическое волокно.

STUDY OF SUPERLONG SINGLE-HOP LINES OPERATION BY THE SIMULATION METHOD

Research article

Zass V.M. *

SRI CCB No.1, Krasnodar, Russia

* Corresponding author (vladzass[at]mail.ru)

Abstract

Based on the example of a single-hop communication line, 502 km long with a channel speed of 100 Gbit/s described in literature sources, the possibility of constructing an exact model of such a network was investigated in the OptiSystem simulation environment. When building a model of an experimental research network, the characteristics of the elements were calculated, the descriptions for them have not yet been indicated in the literature. A characteristic comparison of the results of the laboratory line and the results of the simulation were also made. According to the results of the comparison, it was found that the selected environment is operable, as well as the profitable for replacing the laboratory implementation of the lines under investigation with computer modeling.

Keywords: superlong single-hop communication line, modeling, erbium amplifier, signal spectrum, BER, OptiSystem optical modeling environment, optical fiber.

1. Введение

В современных оптических линиях связи актуальной проблемой является увеличение длины безрегенерационного участка [7]. Благодаря использованию новых многопозиционных форматов модуляции и усилителей с удаленной накачкой (ROPA) реализация сверхдлинных однопролетных линий связи с канальной скоростью до 200 Гбит/сек стала реальностью [5]. К примеру, российский разработчик инфокоммуникационного оборудования, компания Т8, реализовала работу сверхдлинной однопролетной линии связи в лабораторных условиях. Рекордная дальность однопролетной линии на сегодняшний день составляет более 500 км и достигается при использовании оптических усилителей с удаленной накачкой (remote optically pumped amplifier, ROPA) и специального оптического волокна с низкими потерями [1]. Для реализации подобных схем кроме усилителей с удаленной накачкой используются бустеры (эрбиевые усилители, использующиеся для усиления сигнала перед входом в оптическое волокно), а также предусилители (используются для контроля уровня оптической мощности перед фотоприемником) [6].

Многие производители специализированного программного обеспечения для моделирования работы оптических линий связи и отдельных ее компонентов предлагают уменьшить материальные затраты заменив лабораторную реализацию исследуемых линий на компьютерное моделирование. Одним из таких производителей является компания Optiwave’s Software, продвигающая инженерную программную среду OptiSystem [2]. Исследуем возможность моделирования сверхдлинной однопролетной линии связи в этой среде на примере реализованной в лабораторных условиях и описанной в работе [3] линии, представленной на рисунке 1.

 

Рис. 1 – Схема экспериментальной линии

         2. Построение компьютерной модели экспериментальной линии

Для эмуляции экспериментальной линии была использована инженерная среда OptiSystem, в которой имеются все составляющие элементы моделируемой сети.

В работе [3] не указан целый ряд необходимых для моделирования характеристик мультиплексоров, оптического волокна, усилителей с удаленной накачкой. Так как у большинства производителей характеристики схожи, большинство было взято из описаний на элементы ведущих производителей, если сама компания Т8 не является производителем подобных компонентов.

 Битовая скорость передачи с учетом блока корректировки битовых ошибок Pre-FEC составляла 120 Гбит/сек при канальной скорости 100 Гбит/сек [10].

При такой скорости влияние нелинейных эффектов, таких как FWM, SPM, XPM, на форму сигнала при мощности более 20 дБм становится значительным [4], что наглядно наблюдается при моделировании, результаты которого отображены на рисунке 2 (а). Особенно сильно указанные эффекты проявляются во втором пролете линии, где длина пролета составляет 279 км. Для сравнения, на рисунке 2(б) отображен спектр той же несущей, но при уровне оптической мощности 16,49 дБм. Как видно из рисунков, при меньшем уровне оптической мощности, вводимой в волокно, спектр сигнала имеет более сглаженную форму, что уменьшает  коэффициент битовых ошибок [8].

Рис. 2 – Спектр несущей при уровне оптической мощности перед вторым пролетом:  20,68dBm(a) и 16,49 dBm(б)

 

Для расчета длины активного волокна усилителей с удаленной накачкой был построен график зависимости коэффициента усиления от его длины при постоянном уровне входной мощности. Из рисунка 3 (а) видно, что при уровне входной мощности 7,7 дБм (уровень после первого пролета) оптимальным значением длины является величина в 6,7 метра (коэффициент усиления при этом составляет 12,8 дБ). Аналогичные расчеты были проведены и для ROPA 2 при уровне входной мощности -24,4 дБм (уровень после второго пролета). Оптимальным коэффициентом усиления для данной системы является значение 33 дБ, что соответствует длине волокна 18 метров (рисунок 3 (б)).

Рис. 3 – Зависимость коэффициента усиления от длины активного волокна: а) при мощности 7,7 дБм; б) при мощности -24,4 дБм

Исходя из характеристик волокон накачки усилителей ROPA, а также сведений об их удаленности от передающего и приемного конца линии сделан вывод об уровне оптической мощности накачки активного волокна удаленных усилителей. Для  ROPA 1 это значение равно 158 мВт (длина волокна доставки 50 км, общие потери 8 дБ), а для ROPA – 15 мВт (длина волокна доставки 147 км, общие потери 22 дБ).

В результате моделирования в OptiSystem был получен спектр сигналов перед демультиплексором (после предусилителя), представленный на  рисунке 4(а). При сравнении формы и зависимости амплитуды спектральных составляющих от длины волны с результатами лабораторного исследования [3] компании Т8 (рисунок 4 (б)) наблюдается некоторое расхождение данных. Так, разница в уровне оптической мощности между 28 и 22 каналом в эксперименте составила 3 dB, тогда как при моделировании 2 dB. Форма спектра самих несущих каждого канала получилась менее сглаженной, о чем свидетельствует больший коэффициент битовых ошибок.

Рис. 4 – Спектр сигнала перед фотоприемником: а) – экспериментальный спектр; б) – результат моделирования

 

Для выбранного канала 192.5 ТГц коэффициент битовых ошибок BER, рассчитанный  по формуле:

где  – количество ошибочно переданных бит, а  – общее количество переданных бит наилучшим значением при передаче  бит составил 0,0032. Это значение является наилучшим для рассчитанных значений усилителей с удаленной накачкой и выбранных характеристик элементов схемы, которые были не указаны в статье [3]. При изменении указанных параметров элементов значение BER увеличивается. Полученный BER отличается от приведенного [3] в лабораторном эксперименте.  Возможно,  расхождение в  значениях обусловлено тем, что при выборе параметров некоторых элементов линии связи из описаний на данные элементы были выбраны наилучшие значения. Тогда как в действительности существует некоторое отклонение от наилучших значений. В такой ситуации следовало бы использовать средние значения, однако, такие значения не всегда указываются производителями.

Заключение

В результате моделирования видно хоть и небольшое, но отклонение от результатов экспериментальных данных. Тем не менее, результаты для характеристик транспондера ТР-100 «Волга» оказались лучше их критического значения BER 0,0191 [9]. Такое расхождение, возможно,  обусловлено выбором наилучших характеристик для элементов исследуемой сети, а также отсутствием характеристик некоторых элементов, значения на которые приходилось брать из описаний на аналогичные компоненты.

Проведенное компьютерное моделирование в специализированной инженерной среде экспериментального стенда, имитирующего работу сверхдлинной однопролетной линии связи, показывает возможность экономии материальных и временных затрат на проектирование различных компонентов по отдельности и сетей в целом.

Числовые и качественные значения, полученные в ходе моделирования, близки к таковым в эксперименте. На основании этого можно сделать вывод о работоспособности выбранной среды моделирования и пригодности ее к использованию для решения задач по проектированию различных линий связи.

Конфликт интересов Не указан.

Conflict of Interest None declared.

Список литературы / References

1. Гайнов В.В. Однопролетные оптические линии связи большой протяженности / В.В. Гайнов, В.А. Конышев, А.В. Леонов и др. // Прикладная фотоника. – 2015. – Т.2 – №1. – С.5-22.
2. OptiSystem Getting Started Optical Communication System Design Software – 2017 [Электронный источник] – URL: https://optiwave.com/?wpdmdl=157.pdf (дата обращения: 16.04.2019)
3. Гайнов В.В. Сверхдлинные однопролетные линии связи с удаленной накачкой оптических усилителей / В.В. Гайнов, Н.В. Гуркин, С.Н. Лукиных и др. // Журнал технической физики. – 2015. – Т.1 – №4. – С. 83-89.
4. Горлов Н.И. Анализ рассеяния оптического сигнала в оптических волокнах с учетом нелинейных эффектов / Н.И. Горлов, И.В. Богачков, С.В. Овчинников // Сборник науч. трудов SWorld. Мат. Междунар. науч.-практ. конф. «Современные направления теоретических и прикладных исследований 2012». – Вып. 1. – т. 8. – Одесса: Изд-во Куприенко, 2012. – ЦИТ: 112-727. – с. 55-57
5. Листвин В.Н. DWDM-системы / В.Н. Листвин, В.Н. Трещиков. – Москва: Техносфера, 2017. – 352 с.
6. Дмитриев С.А. Волоконно-оптическая техника. Современное состояние и новые перспективы / С.А. Дмитриев, Н.Н. Слепов. – Москва: Техносфера, 2010. – 608 с.
7. Роджер Л. Фриман. Волоконно-оптические системы связи / Роджер Л. Фриман. – Москва: Техносфера, 2007. – 514 с.
8. Трещиков В.Н. DWDM-системы / В.Н. Трещиков, В.Н. Листвин // Фотон-экспресс – 2012. №7. – С. 30-32
9. Гайнов В.В. Однопролетные ВОЛС большой протяженности: как снизить стоимость транспортных сетей / В.В. Гайнов, М. Слепцов, В.Н. Трещиков. // Первая миля – 2015. №2. – С. 72-77
10. Гуркин Н. В. Нелинейный интерференционный шум в системах связи 100 Гбит/с с форматом модуляции DP-QPSK / Н. В Гуркин, О.Е. Наний, А.Г. Новиков и др. // Квантовая электроника – 2013. №3. – С. 550-553

Список литературы на английском языке / References in English

1. Gainov V.V. Odnoproletnyye opticheskiye linii svyazi bol'shoy protyazhennosti [Long-span Single-span Optical Communication Lines] / V.V. Gaynov, V.A. Konyshev, A.V. Leonov, S.N. Lukins, O.E. Naniy, PI Skvortsov, V.N. Treshchikov, I.I. Shikhaliyev, R.R. Ubaidullaev. // Prikladnaya Fotonika [Applied photonics]. – 2015. – Vol.2 – No.1. – P.5-22. [in Russian]
2. OptiSystem Getting Started Optical Communication System Design Software – 2017 [Electronic source] - URL: https://optiwave.com/?wpdmdl=157.pdf (accessed: 16.04.2019)
3. Gainov V.V. Sverkhdlinnyye odnoproletnyye linii svyazi s udalennoy nakachkoy opticheskikh usiliteley [Ultra-long Single-span Communication Lines with Remote Pumping of Optical Amplifiers] / V.V. Gaynov, N.V. Gurkin, S.N. Onions of others, O.E. Naniy, V.N. Treschikov // Zhurnal tekhnicheskoy fiziki [Journal of Technical Physics] – 2015. – Vol.1 – No.4. – P. 83-89. [in Russian]
4. Gorlov N.I. Analiz rasseyaniya opticheskogo signala v opticheskikh voloknakh s uchetom nelineynykh effektov [Analysis of Optical Signal Scattering in Optical Fibers Taking into Account Nonlinear Effects] / N.I. Gorlov, I.V. Bogachkov, S.V. Ovchinnikov // Sbornik nauch. trudov SWorld. Mat. Mezhdunar. nauch.-prakt. konf. «Sovremennyye napravleniya teoreticheskikh i prikladnykh issledovaniy 2012 [Collection of scientific. works SWorld. Mat. International scientific-practical conf. "Modern directions of theoretical and applied research 2012"]. – Vol. 1. – V. 8. – Odessa: Kuprienko Publishing House, 2012. – CIT: 112-727. – P. 55-57 [in Russian]
5. Listvin V.N. DWDM-sistemy [DWDM Systems] / V.N. Listvin, V.N. Treschikov. – M.: Technosphere, 2017. – 352 p. [in Russian]
6. Dmitriev S.A. Volokonno-opticheskaya tekhnika. Sovremennoye sostoyaniye i novyye perspektivy [Fiber Optic Technology. Current State and New Perspectives] / S.А. Dmitriev, N.N. Sleep. – M.: Technosphere, 2010. – 608 p. [in Russian]
7. Roger L. Freeman. Volokonno-opticheskiye sistemy svyazi [Fiber-optic communication systems] / Roger L. Freeman. – M.: Technosphere, 2007. – 514 p. [in Russian]
8. Treshchikov V.N. DWDM-sistemy [DWDM Systems] / V.N. Treshchikov, V.N. Listvin // Foton-express – 2012. No.7. – P. 30-32 [in Russian]
9. Gainov V.V. Odnoproletnyye VOLS bol'shoy protyazhennosti: kak snizit' stoimost' transportnykh setey [Large Span Single-span Fiber-optic Links: How to Reduce the Cost of Transport Networks] / V.V. Gainov, M. Sleptsov, V.N. Treschikov. // [First mile] – 2015. – No.2. – P. 72-77 [in Russian]
10. Gurkin N. V. Nelineynyy interferentsionnyy shum v sistemakh svyazi 100 Gbit/s s formatom modulyatsii DP-QPSK [Nonlinear Interference Noise in 100 Gbit/s Communication Systems with a DP-QPSK Modulation Format] / N. V Gurkin, O.E. Naniy, A.G. Novikov, S.O. Plaksin, V.N. Treshchikov, R.R. Ubaidullaev. // Kvantovaya elektronika [Quantum Electronics] – 2013. – No.3. – P. 550-553 [in Russian]