Opracowanie - Instytut Łączności

INSTYTUT ŁĄCZNOŚCI
ZAKŁAD TELETRANSMISJI ŚWIATŁOWODOWEJ Z-14
SPRAWOZDANIE
ANALIZA PRZYDATNOŚCI WZORÓW EMPIRYCZNYCH
W PROJEKTOWANIU SIECI RINGOWYCH
WDM i DWDM”
ETAP IV
Praca nr 14.30.005.5
Kierownik tematu i wykonawca: dr inż. Julian Kowar
Kierownik Zakładu: doc. dr hab. Marian Marciniak
WARSZAWA – 2006 r.
SPIS TREŚCI
1. WSTĘP................................................................................................................................... 3
2. WPROWADZENIE ............................................................................................................... 4
2.1. Mechanizm propagacji sygnału optycznego w środowisku dwójłomności. ................... 4
3. MODEL LINII ŚWIATŁOWODOWEJ DLA SYMULACJI KOMPUTEROWEJ.............. 5
3.1. Podsumowanie z przeprowadzonej symulacji komputerowej. ....................................... 6
4. POSTAĆ WZORU EMPIRYCZNEGO I JEGO PRZEZNACZENIE ............................. 8
4.1. Różnicowe opóźnienie grupowe. .................................................................................... 8
5. Wnioski ................................................................................................................................ 11
6. Wykaz literatury................................................................................................................... 12
DOROBEK NAUKOWY dr J. KOWARA Z-14/IL............................................................. 13
1. WSTĘP
Zapotrzebowanie na systemy WDM nowej generacji wzrasta w Polsce
z każdym dniem. Warto przypomnieć, że w naszym kraju na przestrzeni ostatnich
30 lat zainstalowano w terenie bardzo dużą ilość kabli światłowodowych z dużym
zapasem. Podjęcie decyzji o wprowadzeniu w Polsce systemów WDM będzie
w pierwszej kolejności wymagało fachowej oceny przydatności zainstalowanych już
kabli światłowodowych dla nowych sieci WDM.
W związku z tym, przedstawiony materiał w tej pracy będzie przydatny do
oceny technicznej zainstalowanych kabli i wskaże kierunek ich weryfikacji.
2. WPROWADZENIE
W opracowaniu dokonano analizy wybranych wzorów empirycznych
pozwalających na oszacowanie degradacji sygnału użytkowego wywołanej przez
PDM oraz oszacowania zasięgu i jakości transmisji wyrażonej przez stopę błędu
E-12, korzystając z empirycznych wzorów, co odpowiada stracie mocy (zgodnie
z normą ITU-TG691) – 1 dB. Przedstawiony materiał będzie użyteczny przy
projektowaniu nowoczesnych struktur optycznych sieci ringowych.
2.1. Mechanizm propagacji sygnału optycznego w środowisku dwójłomności.
Zjawisko dyspersji polaryzacyjnej zawdzięczamy dwójłomności współczynnika
załamania rdzenia światłowodu. Dwójłomność ta ma charakter niejednorodny
wzdłuż światłowodu. To powoduje, że PDM jest również zmienne wzdłuż osi
światłowodu. Efektem tego zjawiska jest przypadkowość zmiany PDM wzdłuż
światłowodu.
W związku z tym w światłowodzie zostają wzbudzone dwa mody poruszające się z
różnymi prędkościami (sygnał optyczny, rys. 1). Sygnał optyczny dwóch
sprzężonych modów jest znany jako różnica opóźnienia grupowego DGD
w [ps] (rys. 1). Opóźnienie grupowe jest więc sposobem najbardziej nadającym się
do określenia wywoływanych skutków przez PDM i jest mierzone w [ps]
w światłowodzie o długości 1 km. Warto zauważyć, że w światłowodzie w tych
warunkach informacja bitowa jest przenoszona przez dwa sprzęgnięte ze sobą mody
poruszające się, jeden szybciej, drugi wolniej. W tym czasie część mocy optycznej
jest przekazywana przypadkowo z jednego modu do drugiego i odwrotnie,
zachowując dowolną przypadkowość. To objawia się w praktyce w postaci skoków
sygnału, co zostało uwidocznione na rys. 2 przy symulacji komputerowej
i wykonanych pomiarach.
3. MODEL LINII ŚWIATŁOWODOWEJ DLA SYMULACJI
KOMPUTEROWEJ
Na rysunku 1 przedstawiono model linii światłowodowej dla symulacji
komputerowej. W skład modelu tej linii wchodzą dwa światłowody o różnych
parametrach wymienionych na rys. 1a i rys. 1b. W obydwu przypadkach
„transmitowano”
sygnał
10 Gb/s.
Przy
symulacji
komputerowej
korzystano
z rozkładu prawdopodobieństwa zdarzeń DGD Maxwelliana.
3.1. Podsumowanie z przeprowadzonej symulacji komputerowej.
Przeprowadzona została symulacja komputerowa kolejno na obu torach
światłowodowych różniących się następującymi parametrami (rys. 1):
– Tor „a” DGD = 1 ps nie wprowadził znaczącej degradacji w strukturze sygnału
– 10 Gb/s.
– W torze „b” Przy DGD = 100 ps wystąpiła znacząca zmiana w kształcie
przesyłanych impulsów, począwszy od 0,8 ns do 1,6 ns.
Otrzymane wyniki wskazują, że im większe jest DGD, tym większa jest
degradacja
sygnału
użytkowego.
Ta
degradacja
jest
przyczyną
skoków
przedstawionych na wykresie (rys. 2).
Wykres
na
rys. 2
przedstawia
wyniki
otrzymane
z
pomiarów
eksperymentalnych i symulacji komputerowej i obrazuje częstość straty mocy dB
otrzymaną z pomiarów eksperymentalnych Exp. i symulacji komputerowej Sim.
w światłowodzie z DGD = 100 ps przy sygnale 10 Gb/s.
Rys. 2. Częstość skoków mocy w światłowodzie w funkcji dB z DGD=100 ps
przy sygnale 10 Gb/s.
Porównanie wyników z symulacji numerycznej z wynikami eksperymentalnymi
wykazały wysoką częstość skoków przy danej wartości mocy dla niskich mocy
w przedziale od 0,2 dB do 1 dB i niską częstość skoków mocy w przedziale od 1 dB
do 1,8 dB.
4. POSTAĆ WZORU EMPIRYCZNEGO I JEGO PRZEZNACZENIE
Wraz z rozwojem szerokopasmowych sieci dostępowych WDM obserwuje się
tendencje
tworzenia
w
laboratoriach
na
podstawie
wyników
badań
i przeprowadzonych eksperymentów w ośrodkach badawczych, prostych wzorów
w postaci empirycznej (1). Jako kryterium degradacji sygnału przyjęto stratę mocy w
danym torze transmisyjnym, odpowiadającej stracie mocy jednego dB. Jest to
równoważne stopie błędów 10-12. Przykładem takiego postępowania jest wzór (1)
w postaci wielomianu. Uzależniony on jest od DGD i stałych współczynników c1, c2,
c3 dopasowanych tak, aby otrzymany wynik spełniał 1 dB straty mocy przy stopie
błędów 10-12.
4.1. Różnicowe opóźnienie grupowe.
DGD jest parametrem statystycznym i jest chętnie stosowane w teorii
i praktyce, jako jeden z najważniejszych parametrów w budowie modeli stanowiących
podstawę do wyznaczenia stopy błędów i dopuszczalnej straty mocy oraz zasięgu.
Jako przykład może tu posłużyć model zaprezentowany na rys.3, gdzie DGD
jest wielkością statystyczną, która została podzielona na trzy zakresy:
– Wykres pierwszy 2,5 Gbit/s obejmuje na osi X zakres zmiany DGD [ps] od 50 ps
do 250 ps.
– Wykres drugi 10 Gbit/s obejmuje zakres zmiany DGD od 10 ps do 60 ps.
– Wykres trzeci 40 Gbit/s zakres zmiany DGD od 2 ps do 16 ps.
Na osi Y wykresów jest strata mocy w dB w zakresie od 0 do 1 dB ze
szczególnym wyróżnieniem 1 dB.
Tabela 1 zawiera wartości współczynników wielomianu (1) dla krzywych przedstawionych na
rys. 3.
Tabela 1
Coefficients 2.5 Gb/s
10 Gb/s
40 Gb/s
c3
4.51589e – 08
0
2.89476e – 4
c2
2.00328e – 05
5.97249e – 4
5.06388e – 3
c1
2.05903e – 04
– 3.88453e – 3
– 1.14814e – 2
Power penalty [dB] =
c3 ּ (DGD)3 + c2 ּ (DGD)2 + c1 ּ (DGD).
Wielomian jako postać wzoru empirycznego (1).
DGD (ps)
Rys.3. Struktura trzech modeli w funkcji DGD.
(1)
W tym miejscu należy podkreślić, że DGD jest sposobem najbardziej
nadającym się do określenia skutków PDM i pomiaru mierzonego w [ps]
w światłowodzie o długości 1 km znaczący mod sprzęgnięty między dwoma
sprzężonymi. Wariantem odmiany sprzęgniętego modu polaryzacji DGD może być
model statystyczny jako rozkład Makswelowski.
Czasowy wariant natury DGD wytwarza trudność dla kompensacji PDM.
W standardowych światłowodach transmisyjnych sygnał rozprzestrzenia się
z powodu PDM. Optyczny sygnał jest złożony z dwóch modów i jest znany jako
różnicowe opóźnienie grupowe DGD mierzone w [ps] w długich światłowodach
o długości 1 km.
Krzywe przedstawione na rys. 3 mogą być wygodnie prezentowane poprzez
wielomian uzyskany przez dopasowanie.
Czas propagacji sygnału optycznego jest znany jako różnica opóźnienia
grupowego DGD. DGD jest najbardziej wspólnym sposobem do scharakteryzowania
PDM i jest typowym wariantem odmiany sprzęgniętego modu polaryzacji. DGD może
być model statystyczny jako rozkład Maksveliana.
5. Wnioski
Trwają poszukiwania utworzenia modelu, który by umożliwił ocenę stopnia
degradacji sygnału użytkowego.
Tabela 1 zawiera wartości współczynników wielomianu (1) dla krzywych
przedstawionych na rysunku 3. Używając krzywych z rys. 3 możliwe jest obliczanie
DGD związanego ze stratą mocy.
Trwają poszukiwania utworzenia modelu, który by pozwolił na ocenę efektów
PDM.
6. Wykaz literatury.
1. I. Cerutti, A. Fumagalli, M. Tacca, A. Lardies, R. Jagannathan, The multi-hop
multi-rate wavelenght division multiplexing ring, Journal of Lightwave
Technology-special issue on “Optical Networks”, IEEE/OSA Journal, vol. 18,
no. 12, (Dec. 2000), pp. 1649-1656.
2. R. Ramaswami, K. N. Sivarajan, Optical Networks: a practical perspective.
(Morgan Kaufmann Publishers, Inc., 2002).
3. B. Mukherjee, WDM-based local lightwave networks-Part I single-hop systems,
IEEE Networks, vol. 6, (May 1992), pp. 12-26.
4. B. Mukherjee, WDM-based local lightwave networks-Part II multi-hop systems,
IEEE Networks, vol. 7, (July 1992), pp. 20-32.
5. K. Zhu, B. Mukherjee, Traffic grooming in an optical WDM mesh network, IEEE
Journal on Selected Areas in Communications, vol. 20, no. 1, (Jan. 2002), pp. 122133.
6. G. P. Agrawal, Fiber-Optic Communication Systems, third ed. (Wiley; 2002).
7. I. Cerutti, A. Fumagalli, M. J. Potasek, Effects of chromatic dispersion and selfphase modulation in multi-hop multi-rate WDM rings, Photonics Technology
Letters, IEEE Photonics, vol. 14, no. 3, (March 2002), pp. 411-413.
8. K. Suzuki, N. Shibata, Y. Ishida, Polarization-mode dispersion as a bandwidth
limiting factor in a long-haul single-mode optical transmission system, Electronics
Letters, vol. 19, no. 17, (1983), pp. 689-691.
9. H. Sunnerud, C. Xie, M. Karlsson, R. Samuelsson, P. A. Andrekson, A comparison between different PMD compensation techniques, Journal of Lightwave
Technology, IEEE/OSA Journal, vol. 20, no. 3, (March 2002), pp. 368-378.
10. R. Khosravani, S. A. Havstad, Y. W. sg, P. Ebrahimi, A. E. Willner, Pola-rizationmode dispersion in WDM systems, IEEE Photonics Technology Letters, vol. 13,
no. 12, (2001), pp. 1370-1372.
11. M. Ali, L. Tancevski, Impact of polarization-mode dispersion on the design of
wavelength-routed networks, IEEE Photonics Technology Letters, vol. 14, no. 5,
(May 2002), pp. 720-722.
12. C. D. Poole, R. E. Wagner, Phenomenological approach to polarization mode
dispersion in long single-mode fibers, Electronics Letters, vol. 22, no. 17, (1986),
pp. 1029-1030.
13. G. J. Foschini, C. D. Poole, Statistical theory of polarization dispersion in single
mode fibers, Journal of Lightwave Technology, IEEE/OSA Journal, vol. 9, no. 11,
(Sept. 1991), pp. 1439-1456.
14. D. Marcuse, C. R. Menyuk, P. K. A. Wai, Applicationof the Manakov-PMD
equation to studies of signal propagation in optical fibers with randomly varying
birefringence, Journal of Lightwave Technology, IEEE/OSA Journal, vol. 15,
no. 9, (Sept. 1991), pp. 1735-1746.
15. H. F. Haunstein, H. M. Kallert, Influence of PMD on the performance of optical
transmission systems in the presence of PDL, Proceedings of OFC (2001), vol. 3,
pp. wt4-1 –wt4-3, Anaheim, CA, USA, March 2001.
16. I. P. Kaminow, T. L. Koch, Optical Fiber Telecommunications IIIA.
17. Photonics Network Communication vol. 5, no. 3, pp. 259-271, 2003.
DOROBEK NAUKOWY dr J. KOWARA Z-14/IL
[1] Kowar J. [Z-14, IŁ]: Analiza struktur sieci dostępowych opartych na zwielokrotnieniu falowym WDM i
DWDM (nr 14300034) 2004, kier. pracy Kowar J., ocena: 4.50
[2] Marciniak M. [Z-14, IŁ], Kowar J. [Z-14, IŁ]: Analiza aktualnych tendencji rozwoju optycznych sieci
telekomunikacyjnych (nr 14300073) 2003, kier. pracy Marciniak M., ocena: 4.00
[3] Marciniak M. [Z-14, IŁ], Szczurek G. [Z-14, IŁ], Sadowski J. [Z-14, IŁ], Prokop-Knap W. [Z-14, IŁ],
Figura U. [Z-14, IŁ], Skrobek H. [Z-14, IŁ], Molga . [Z-14, IŁ], Woyczikowski K. [Z-14, IŁ], Jaworski M. [Z14, IŁ], Smoczyński L. [Z-14, IŁ], Kowar J. [Z-14, IŁ], Borzycki K. [Z-14, IŁ], Bujnowski P. [Z-14, IŁ],
Klinkowski M. [Z-14, IŁ], Półrola M. [Z-14, IŁ]: Projektowanie inteligentnych zintegrowanych optycznych i
innych sieci transportowych o przepływnościach terabitowych (nr 14300012) 2002, kier. pracy Marciniak M.,
ocena: 6.00
[4] Marciniak M. [Z-14, IŁ], Kowar J. [Z-14, IŁ]: Analiza aktualnych tendencji rozwoju optycznych sieci
telekomunikacyjnych (nr 14300032) 2002, kier. pracy Marciniak M., ocena: 4.00
[5] Marciniak M. [Z-14, IŁ], Półrola M. [Z-14, IŁ], Woyczikowski K. [Z-14, IŁ], Smoczyński L. [Z-14, IŁ],
Kowar J. [Z-14, IŁ], Jaworski M. [Z-14, IŁ], Borzycki M. [Z-14, IŁ], Bujnowski P. [Z-14, IŁ], Książkiewicz
A. [Z-14, IŁ], Klinkowski M. [Z-14, IŁ]: Badanie transportowych sieci optycznych i innych (nr 14300041)
2001, kier. pracy Marciniak M., ocena: 5.00
[6] Marciniak M. [Z-14, IŁ], Woyczikowski K. [Z-14, IŁ], Kowar J. [Z-14, IŁ], Smoczyński L. [Z-14, IŁ],
Sujecki S. [Z-14, IŁ], Jaworski M. [Z-14, IŁ], Borzycki K. [Z-14, IŁ], Bujnowski P. [Z-14, IŁ]: Badanie
nieliniowych efektów optycznych oraz elementów nanofonicznych mających wpływ na parametry transmisyjne
warstwy transportowej przyszłych terabitowych przezroczystych sieci całkowicie optycznych ze
zwielokrotnieniem falowym WDM (nr 14310020) 2000, kier. pracy Marciniak M.
[7] Woyczikowski K. [Z-14, IŁ], Smoczyński L. [Z-14, IŁ], Borzycki K. [Z-14, IŁ], Figura U. [Z-14, IŁ],
Kowar J. [Z-14, IŁ]: Analiza budowy światłowodowej sieci dystrybucyjnej (ODN), z optymalizacją doboru
podzespołów, mających na celu afektywne wdrażanie sieci w warunkach krajowych (nr 14310030) 2000