Poznańskie Warsztaty Telekomunikacyjne PWT2004
Transkrypt
Poznańskie Warsztaty Telekomunikacyjne PWT2004
www.pwt.et.put.poznan.pl Magdalena Młynarczuk Lech Smole ski Politechnika Gda ska Wydział Elektroniki, Telekomunikacji i Informatyki e-mail: [email protected] 2004 Poznańskie Warsztaty Telekomunikacyjne Poznań 9 - 10 grudnia 2004 OCENA MO LIWO CI MAKSYMALIZACJI ZASI GU I PRZEPUSTOWO CI SYSTEMU DWDM Z ZASTOSOWANIEM MODELU SYMULACYJNEGO W referacie zostały przedstawione wybrane wyniki bada symulacyjnych, maj cych na celu sprawdzenie mo liwo ci uzyskania mo liwie du ej sumarycznej przepływno ci dla systemu DWDM przy równoczesnym uzyskaniu maksymalnego zasi gu bez regeneracji. Opisano model przystosowany do okre lenia oddziaływania wybranych parametrów. Zaprezentowano przydatno parametru Q do oceny jako ci transmisji dla systemu DWDM. Przedstawiono wnioski dotycz ce uzyskanych wyników symulacji. 1. WST P Rozwój usług telekomunikacyjnych w kierunkach takich jak audio/video na danie, videokonferencje, multimedialne aplikacje internetowe, wi e si z zapotrzebowaniem na coraz wi ksze szybko ci transmisji sygnałów cyfrowych. Potrzeby wynikaj ce z trendów rozwojowych wymusiły wprowadzanie systemów transmisyjnych, które b d w stania obsłu y ruch generowany przez u ytkowników, o wymaganej wielko ci przepływno ci oraz dowolnego formatu. Mo liwo ci takie daj systemy ze zwielokrotnieniem falowym DWDM (ang. Dense Wavelength Division Multiplexing) stosowane miedzy innymi w rozległych sieciach szkieletowych a tak e w sieciach METRO. Zastosowanie tego rodzaju zwielokrotnienia pozwala ulokowa w jednym włóknie od kilkunastu do kilkuset kanałów falowych, a wi c uzyska przy obecnym stanie techniki transmisyjnej sumaryczn przepływno w jednym włóknie rz du kilku Tb/s. Dynamiczny rozwój optycznych systemów DWDM spowodował pojawienie si powszechnej opinii, e technika SDH zostanie w do krótkim czasie wyparta przez sieci optyczne oparte na multiplekserach optycznych OADM (Optical ADM) oraz przeł cznicach optycznych OXC (Optical Cross-Connect). Docelowo sieci optyczne maj stanowi warstw transmisyjn do przesyłania sygnałów IP oraz ATM. Systemy DWDM obok licznych zalet maj równie swoje ograniczenia. Przy niewielkich szybko ciach transmisji i niewielkim jej zasi gu pojedynczy odcinek wiatłowodu jest bliskim idealnego o rodkiem transmisyjnym, niewprowadzaj cym istotnych własnych zniekształce sygnału. Wraz ze wzrostem szybko ci i długo ci wiatłowodu daj zna o sobie fizyczne parametry wiatłowodu jako rzeczywistego, a nie PWT 2004, Poznań 9 - 10 grudnia 2004 idealnego kanału transmisyjnego. Te główne parametry to tłumienie i dyspersja sygnałów, maj ce charakter zniekształce liniowych. Wprowadzenie sygnałów dla wielu kanałów do jednego włókna prowadzi do zwi kszenia mocy w wiatłowodzie. Dla du ych mocy sumarycznych dochodzi do nieliniowego oddziaływania pomi dzy falami elektromagnetycznymi przenosz cymi informacj a o rodkiem, w którym odbywa si transmisja. O ile zjawiska nieliniowe s w zasadzie nieszkodliwe dla pojedynczego kanału, to w przypadku wielu kanałów prowadz do interferencji, zniekształce przesyłanych sygnałów u ytecznych lub dodatkowego zwi kszenia tłumienia, powoduj c pogorszenie jako ci pracy systemu. Efekty te s zale ne od zastosowanego typu wiatłowodu, wzmacniacza, selektywnych filtrów odbiorczych, typu multipleksacji itp. Im szybciej modulowany laser tym szersze pasmo sygnału optycznego po modulacji. Przy du ych szybko ciach kanały nie mog wi c by ulokowane zbyt blisko siebie. Sumaryczna przepływno dost pna w pojedynczym włóknie jest iloczynem liczby kanałów optycznych i ich przepływno ci. Pojawia si pytanie dotycz ce liczby kanałów mo liwych do ulokowania w pasmie optycznym z uwzgl dnieniem wpływu na szybko transmisji i maksymalny zasi g. Wzgl dnie trudno znale odpowiedzie na to pytanie badaj c rzeczywisty system transmisji optycznej. St d uzasadnienie stosowania modeli symulacyjnych pozwalaj cych na badanie wyodr bnionych czynników i sprawdzenie rozwi za , które mog zosta wykorzystane w rzeczywistym systemie. W dalszej cz ci referatu zaprezentowano model, który mo e by pomocnym narz dziem przy analizowaniu własno ci systemów DWDM. 2. MODEL SYSTEMU TRANSMISJI OPTYCZNEJ DWDM Komputerowy model symulacyjny umo liwia zbadanie wybranych zjawisk, które zachodz w transmisji optycznej a uzyskane wyniki pozwalaj na okre lenie optymalnych mo liwo ci systemu DWDM w warunkach kontroli (w tym równie całkowitego wyeliminowania) zakłóce wyst puj cych w torze wiatłowodowym. 1 www.pwt.et.put.poznan.pl ' # # % !$ # # % !$ + ' + & & & '& & & & & ( & , % +& # # & & % !$ & & & & & & ' ) # # % !$ # # % !$ + ) ' * + * !" Rys. 1. Model symulacyjny systemu DWDM zrealizowany w programie COMSIS. W referacie ograniczono si do przedstawienia jedynie wariantu liniowego, jednak w prezentowanym modelu jest uwzgl dnione tak e wyst powanie zjawisk nieliniowych w wiatłowodzie. Symulacje dla ustalonej struktury systemu DWDM przeprowadzono w trzech etapach: 1. Maksymalizacja zasi gu transmisji bez regeneracji (3R) poprzez wykorzystanie doł czanych kolejno sekcji włókien i wzmacniaczy optycznych. 2. Maksymalizacja sumarycznej przepływno ci, jak mo na uzyska w pojedynczym włóknie 3. Znalezienie optymalnego rozwi zania prowadz cego do równoczesnego uzyskania maksymalnego zasi gu i przepustowo ci. Modelowanie transmisji w pojedynczym włóknie systemu DWDM przeprowadzono przy wykorzystaniu komercyjnego programu COMSIS, firmy IPSIS, przeznaczonego do modelowania komputerowego transmisji w systemach telekomunikacyjnych. Podstawowy wariant modelu, wykorzystany do symulacji (rys.1) zawiera trzy podstawowe obszary: grup nadajników optycznych o długo ciach fal mieszcz cych si w zakresie trzeciego okna transmisyjnego; elementy optycznego toru transmisyjnego - wiatłowody, wzmacniacze optyczne; grup selektywnych odbiorników optycznych z przetwornikami O/E i układami decyzyjnymi. Ocena jako ci odbieranego sygnału nast puje zarówno w dziedzinie czasu (wykres oka) dla sygnałów na wej ciach układów decyzyjnych; jak i w dziedzinie cz stotliwo ci – widmo g sto ci mocy i OSNR. Do oszacowania uzyskanej warto ci BER wykorzystano parametr Q. Mo liwo porównania ró nych wska ników jako ciowych jest zalet wykorzystanego programu. PWT 2004, Poznań 9 - 10 grudnia 2004 Program symulacyjny narzuca niestety ograniczenia praktyczne, dotycz ce stopnia zło ono ci wykorzystywanych modeli. W przedstawionym modelu systemu DWDM zrealizowano jedynie 5 kanałów falowych, co pozwala jednak na uwzgl dnienie oddziaływa , o charakterze liniowym i nieliniowym, pomi dzy kanałami. Uzyskane rezultaty mo na nast pnie odnie do systemu wielokanałowego DWDM, wykorzystuj cego całe dost pne pasmo optyczne. Ka dy z nadajników optycznych zawiera diod laserow z fal ci gł o długo ci dobranej dla danego kanału, zewn trzny modulator amplitudy i tłumik, pozwalaj cy na dobór mocy w kanale falowym lub jego wył czenie. Sygnał WDM, uzyskany przez sumowanie kanałów falowych, jest przesyłany przez ła cuch włókien wiatłowodowych i wzmacniaczy optycznych EDFA (w najprostszym wariancie wyst puje tylko pojedyncze włókno wiatłowodowe) do cz ci odbiorczej. Wydzielenie poszczególnych kanałów falowych w odbiorniku nast puje przy u yciu filtrów optycznych Fabry-Perot. Sygnał optyczny po filtracji jest przetwarzany na elektryczny przez fotodiod (p-i-n). Po filtracji dolnopasmowej i wzmocnieniu sygnał elektryczny trafia na wej cie układu decyzyjnego. Moment podj cia decyzji wyznacza sztucznie wygenerowany sygnał zegarowy o dobranym opó nieniu (jak w regeneracji 3R). Sygnały binarne w poszczególnych kanałach s sekwencjami pseudoprzypadkowymi. Mo liwe jest porównanie ci gu danych na wej ciu i na wyj ciu kanału w celu wykrycia bł dów transmisji. Długo ci fal z rastrem 0,8 nm, 0,4 nm, 1 nm dobrano w oparciu o zalecenie G.694.1, które definiuje siatk cz stotliwo ci dla systemu DWDM. 2 www.pwt.et.put.poznan.pl 3. PRZYDATNO PARAMETRU Q DO OCENY JAKO CI TRANSMISJI W SYSTEMIE DWDM Jako transmisji danych w systemie DWDM sprawdza si po przetworzeniu sygnału w kanale optycznym na elektryczny, przez wykonanie pomiaru bitowej stopy bł dów oraz analiz wykresu oczkowego z wykorzystaniem masek telekomunikacyjnych. Pomiary bitowej stopy bł dów przeprowadza si zarówno w warunkach laboratoryjnych, jak i podczas normalnej pracy systemu. Standard ITU-T sprecyzował maksymaln wielko BER = 10-12, dla której mo na oczekiwa braku bł du w czasie 7min przy szybko ci transmisji 2,5Gb/s [1]. Coraz wi cej dostawców usług wymaga jednak BER ≤ 10-14. Czas bezbł dnej transmisji wydłu a si w tym wypadku do około 11godz. [2]. Klienci u ywaj cy ultraszybkich ł czy oczekuj warto ci BER ≤ 10-16. Przy tej wielko ci wymagany czas pomiaru mo e dochodzi do kilkudziesi ciu dni. W przypadku badania systemów wielokanałowych pomiar BER stwarza jeszcze wi kszy problem. Je li badany jest system o miokanałowy i nale y pomierzy po kolei wszystkie kanały dla BER = 10-14, to czas trwania pomiaru jest bliski 90 godzin. Sposobem na rozwi zanie tego problemu jest równoległe testowanie wszystkich kanałów, albo przy pieszenie pomiaru poprzez sztuczne pogorszenie warunków pracy systemu. Dopuszczenie wi kszej warto ci BER w warstwie transmisyjnej wymusza konieczno u ycia kodu korekcyjnego (FEC - jak w zal. G.707 i G.709). Rozwi zaniem problemu czasu pomiaru BER jest wykorzystanie parametru Q, którego pomiar jest szybk alternatyw w stosunku do pomiaru BER. Parametr Q bezpo rednio odzwierciedla jako sygnału optycznego. Parametr ten jest okre lany przez sprawdzanie amplitudy i fazy elektrycznego sygnału analogowego. Parametr Q jest okre lany wzorem [3]: Q= gdzie: warto warto U1 − U 0 | ϕ= π σ1 + σ 2 (1) U1 i dewiacja σ1 odpowiadaj „1”, U2 i dewiacja σ2 odpowiadaj „0” Prawdopodobie stwo wyst pienia bł du bitowego BER wynosi [3]: BER = Q 1 Q2 1 ) erfc( )≅ exp(− 2 2 2 Q 2π gdzie komplementarna funkcja bł du: 2 ∞ −α 2 erfc( x ) = dα x e π (2) (3) Dla Q > 3 mo na uzyska wystarczaj co dokładne wyniki z zale no ci przybli onej. Wyznaczenie parametru Q jest udogodnieniem pozwalaj cym na skrócenie czasu pomiaru. Powi zanie pomi dzy parametrem Q a BER pozwala w łatwy sposób na ocen jako ci transmisji. Warto Q = 6 odpowiada bitowej stopie bł du BER = 10-9; Q = 7 odpowiada BER = 10 -12; Q = 8,2 odpowiada BER = 10-16. PWT 2004, Poznań 9 - 10 grudnia 2004 Rys. 2. Relacja pomi dzy parametrem Q i BER. [4] 4. PROGRAM BADA SYMULACYJNYCH I UZYSKANE WYNIKI Celem bada symulacyjnych było wykazanie zale no ci maj cych istotne znaczenie dla maksymalizacji zasi gu i przepustowo ci. Parametry bloków modelu ustalono tak, aby były one zbli one do wyst puj cych w rzeczywistych systemach. Symulacje przeprowadzono dla dwóch podstawowych typów włókien (G.652 i G.655) z odniesieniem do konkretnego firmowego typu włókna G.655 (TrueWave ). W przypadku włókien wiatłowodowych w modelu przyj to nast puj ce warto ci: • G.652; współczynnik dyspersji: 3 ps/km·nm, 5 ps/km·nm, 10 ps/km·nm, współczynnik tłumienia 0,28 dB/km; • G.655: współczynnik dyspersji: 2 ps/km·nm, 4 ps/km·nm, współczynnik tłumienia 0,22 dB/km; • G.655 (TrueWave), współczynnik tłumienia 0,22 dB/km, współczynnik dyspersji opisany równaniem w oparciu o rzeczywiste charakterystyki Przyj te warto ci współczynników dyspersji dla włókien G.652 s współczynnikami efektywnymi przy zało eniu, e w rzeczywistych systemach mamy do czynienia z kompensacj skupion dla tego rodzaju włókien. Tłumienie we wszystkich przypadkach jest tłumieniem efektywnym uwzgl dniaj cym m.in. straty na poł czeniach spawanych. Ka dy z wariantów włókna badano przy przepływno ci pojedynczego kanału 10 Gb/s i 40 Gb/s. Długo ci fal modelowano z odst pem cz stotliwo ci no nych: 0,4 nm; 0,8 nm; 1 nm; 2 nm., przy zało eniu, e długo ci te mieszcz si w zakresie trzeciego okna telekomunikacyjnego, w pasmie wzmacniacza EDFA. Parametry wzmacniaczy EDFA dobrano w oparciu o rozwi zanie sprz towe firmy Motorola (parametry wzmacniacza serii N1U OA530S17). 3 www.pwt.et.put.poznan.pl Współczynnik dyspersji[ps/km*nm] G.655 G.655 + EDFA 10 G.652+ EDFA 5 G.652 4 3 2 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 320 Zasi g [km] Rys.3. Maksymalny zasi g dla pojedynczego odcinka wiatłowodu G.652 i G.655 oraz z zastosowaniem wzmacniaczy EDFA, przepływno kanału 10Gb/s. Współczynnik dyspersji[ps/km*nm] 10 G.652 5 G.655 4 3 2 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 Zasi g [km] Rys. 4. Maksymalny zasi g dla pojedynczego odcinka wiatłowodu G.652 i G.655 oraz z zastosowaniem wzmacniaczy EDFA, przepływno kanału 40Gb/s Dla modeli o przepływno ci 10Gb/s w pojedynczym kanale przyj to graniczn warto parametru Q = 8, co odpowiada bitowej stopie bł du BER = 10-15, natomiast w przypadku modeli z przepływno ci 40 Gb/s w pojedynczym kanale przyj to Q = 6. Przyj te warto ci parametru Q stanowiły w tym wypadku główne kryterium jako ci odebranego sygnału DWDM. Dla kanałów o przepływno ci 10 Gb/s maksymalny zasi g został uzyskany dla wiatłowodu G.655 o współczynniku dyspersji 2 ps/km·nm i tłumieniu jednostkowym 0,22 dB/km (rys.3); zastosowanie wiatłowodów o przesuni tej niezerowej dyspersji umo liwiało osi gni cie dłu szych odcinków mi dzy wzmacniaczami (75km). Zast pienie w modelu wiatłowodów tłumikami, które nie wnosz efektów dyspersyjnych, przy pozostawieniu tej samej liczby wzmacniaczy, pozwoliło na wzrost parametru Q z 8 do 14. Potwierdza to, e zjawiska takie jak szum wzmacniaczy, dyspersja narastaj wzdłu długo ci toru zmniejszaj c u yteczny zasi g transmisji. PWT 2004, Poznań 9 - 10 grudnia 2004 Zwi kszenie przepływno ci w pojedynczym włóknie do 40 Gb/s powoduje znaczne zmniejszenie zasi gu (rys.4). O ile we włóknie o przepływno ci pojedynczego kanału 10 Gb/s udało si uzyska maksymalny zasi g 171 km, a przy wykorzystaniu wzmacniaczy EDFA 300 km; to wykorzystanie tego samego włókna dla przepływno ci 40 Gb/s w pojedynczym kanale poskutkowało zmniejszeniem zasi gu do 18 km (dla Q = 6), a zastosowanie jakiegokolwiek wzmacniacza wydało si bezcelowe Najmniejsze warto ci parametru Q uzyskano dla pomiarów w kanale 3 (centralnym), najbardziej nara onym na zakłócenia ze strony s siednich kanałów. U ycie włókien typu TrueWave poskutkowało zwi kszeniem zasi gu do 480 km w przypadku kanałów 10 Gb/s, za w przypadku kanałów o przepływno ci 40 Gb/s pozwoliło na uzyskanie zasi gu 66 km. Zmniejszenie odst pu mi dzy kanałami falowymi doprowadziło do zmniejszenia zasi gu. Jest to w tym wypadku spowodowane niewystarczaj cym stopniem tłumienia sygnałów optycznych z innych, nie tylko s siednich, kanałów (rys.5). 4 www.pwt.et.put.poznan.pl Współczynnik dyspersj[ps/km*nm] Raster 0,4nm Raster 0,8nm 10 Raster 1nm 5 4 3 2 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 Zasi g[km] Rys. 5. Badanie wpływu odst pu kanałowego na zasi g transmisji dla przepływno ci kanałów 10Gb/s Sumaryczna przepustow o [Gb/s] 200 10Gb/s; 10Gb/s, 40Gb/s; 10Gb/s; 40Gb/s; 160 raster 0,4nm raster 0,8nm raster 0,8nm raster 1nm raster 1nm 120 50 40 30 1 10 100 1000 Zasi g [km] Rys. 6. Charakter zmian zasi gu i sumarycznej przepustowo ci dla włókien G.655. W wypadku modeli o przepływno ci kanałów 10 Gb/s udało si uzyska zadowalaj c jako transmisji zarówno dla wiatłowodów G.652 jak i G.655. Warunkiem uzyskania maksymalnej warto ci przepływno ci było, aby długo ci fal mie ciły si w równomiernym pasmie wzmacniacza EDFA. Zwi kszenie sumarycznej przepływno ci dla kanałów 40 Gb/s skutkowało radykalnym zmniejszeniem zasi gu. Maksymalny zasi g i przepustowo udało si uzyska po zamodelowaniu wybranych włókien z grupy G.655 (rys.6) Zastosowanie mniejszych przepływno ci kanałów przy wykorzystaniu włókien TrueWave umo liwiło uzyskanie wi kszych zasi gów w porównaniu ze standardowymi włóknami jednodomowymi. Sygnały 10 Gb/s mo na było przesyła bez adnych problemów nawet przy rastrze falowym 0,4 nm uzyskuj c zadowalaj cy zasi g 472 km (rys.6) Uzyskane wyniki symulacji pozwalaj na sformułowanie pewnych syntetycznych wniosków • ograniczenie dyspersyjne jest podstawowym ograniczeniem przy projektowaniu systemów DWDM o maksymalnym zasi gu; • zwi kszenie zasi gu wymaga zastosowania odpowiednio zaprojektowanych wzmacniaczy; PWT 2004, Poznań 9 - 10 grudnia 2004 • odległo mi dzy kanałami falowymi porównywalna z szeroko ci widma wymaga zastosowania wysoce selektywnych filtrów o starannie dobranych charakterystykach amplitudowej i fazowej; • wykorzystanie wariantu kilkunastu kanałów falowych 10Gb/ mieszcz cych si w równomiernym pa mie wzmacniacza EDFA z mniejszym rastrem jest bardziej efektywne pod wzgl dem maksymalizacji zasi gu ni zastosowanie kanałów falowych 40Gb/s z wi kszym rastrem, przy warunku uzyskania tej samej sumarycznej przepływno ci. 5. PODSUMOWANIE Model symulacyjny systemu DWDM został zaprojektowany tak, aby pozwalał na analizowanie pojedynczych czynników maj cych wpływ dla uzyskania maksymalnego zasi gu i przepustowo ci, co byłoby trudne w modelu sprz towym b d rzeczywistej sieci. Manipulacja parametrami pozwoliła na wykazanie zale no ci i sformułowanie wniosków znajduj cych praktyczne potwierdzenie. Mo liwo odwzorowania w modelu poszczególnych elementów optycznych o starannie dobranych parametrach pozwoliła uzyska warunki pracy systemu zbli one do rzeczywistych., w 5 www.pwt.et.put.poznan.pl których d y si zarówno do maksymalizacji zasi gu jak i przepustowo ci. Model ma charakter otwarty i mo e by rozbudowany w kierunku wprowadzenia dodatkowych efektów. Ograniczenia zło ono ci modelu nie pozwalaj na symulacj pełnego wielokanałowego systemu DWDM, a jedynie jego fragmentu ograniczonego do kilku kanałów. Uzyskane wyniki mo na jednak odnie do bardziej rozbudowanych systemów DWDM [7]. Tego rodzaju prace, zmierzaj ce do uzyskania maksymalnego zasi gu przy jednoczesnej maksymalnej sumarycznej przepływno ci s realizowane w wielu o rodkach badawczych. Popyt na systemy transmisji optycznej z g stszym upakowaniem kanałów i wi ksz szybko ci transmisji wpływa na rozwój innych elementów systemu, takich jak nowe generacje wiatłowodów, wzmacniaczy, ródeł wiatła. Przewiduje si powszechne stosowanie systemów DWDM nie tylko jako dalekosi nych, ale tak e metropolitalnych. Wnioski uzyskane dla stosunkowo prostych modeli pokrywaj si z wynikami uzyskanymi dla rzeczywistych systemów, publikowanymi przez producentów optycznych systemów transmisyjnych. Potwierdza to tym samym mo liwo stosowania modeli symulacyjnych przy projektowaniu sieci DWDM. PWT 2004, Poznań 9 - 10 grudnia 2004 SPIS LITERATURY [1] ITU-T, Rec. G.692, Optical interfaces for multichannel systems with optical amplifiers, Geneva, 10/1998 [2] K. Perlicki, Pomiary w nowoczesnych systemach telekomunikacji optycznej, Przegl d telekomunikacyjny, str. 163, 3/2002, [3] Xing Wei, Xiang Liu, Chris Xu, Q factor in numeri9cal simulations of DPSK with optical delay demodu-lation, IEEE photonics technology letters, Lucent Technologies, 2004 [4] Sanket Goel, Introduction to Fibre Optic Communications System, Departament of Electrical and Computer Engineering, University of Alberta, Edmonton, Canada, 2004 [5] R.C. Alferness, Guided–wave devices for optical communication, IEEE J. Quantum Electornics, vol. QE-17, no. 6, str. 946-959, June 1981 [6] ITU-T, Rec. G.655, Characteristics of non-zero dispersion shifted single-mode optical fibre cable, Geneva, 10/2000 [7] M. Wróblewska (Młynarczuk), Maksymalizacja zasi gu i przepustowo ci informacyjnej pojedynczego włókna w systemach transmisyjnych DWDM, Praca magisterska, WETI PG, Gda sk 2004. 6