Исследование принципов потенциальных возможностей повышения пропускной способности волоконно-оптической системы передачи

    Министерство образования и науки российской федерации
    Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
Московский технический университет связи и информатики

Кафедра: Многоканальные телекоммуникационные системы




      РЕФЕРАТ
для поступления в аспирантуру по направлению подготовки 11.06.01 Электроника, радиотехника и системы связи





Тема: исследование принципов потенциальных возможностей повышения пропускной способности волоконно-оптической системы передачи

      

      
      Выполнил: Вийюкусенге Огюстен
      

      
      
      Москва 2017


Содержание
ВВЕДЕНИЕ	3
I.	Анализ факторов, ограничивающих увеличение   скорости передачи DWDM систем	7
I.1.	Действие линейных эффектов	8
I.2.	Действие нелинейных эффектов	12
II.	Способы увеличения пропускной способности DWDM систем	17
II.1.	 Многоуровневые форматы модуляции.	19
II.2.	Увеличение символьной скорости.	21
II.3.	Примеры реализации скоростей выше 100G.	22
II.4.	Использование множества несущих (суперканалы)	25
Заключение	27
Источник литература	28



ВВЕДЕНИЕ
         В условиях интенсивности роста информационных технологий особую актуальность приобретают вопросы проектирования, строительства и технической эксплуатации линий связи [6]. Задача, стоящая перед техникой связи – передать наибольшее количество информации наиболее экономичном способом. Оптическое волокно (ОВ) оказывается той самой средой передачи, которая сумела удовлетворить возрастающие потребности человека в обмене информацией. Оптическое волокно и волоконно-оптическая техника играют в современной связи характеризующее значение, первое – как среда для оптической передачи информации, вторая как набор средств, позволяющих осуществить такой передачи.
          Именно в данный момент волоконно-оптические системы передачи играет значительную роль в отрасли инфокоммуникационной технологии. Преимуществом ВОСП является высокая скорость и надежность, низкий показатель ошибок, защищенность от несанкционированного доступа.
      Актуальность темы исследования
      В настоящее время область телекоммуникационных и информационных технологий претерпевает непрерывные и беспрецедентные изменения, связанные с переходом от голосовых систем к системам передачи данных, что является следствием бурного развития сетевых технологий и появления глобального интернет бизнеса. 
      За последнее время рост разнообразных приложений, таких как облачные вычисления, потокового видео, социальных сетей и различных услуг приводил к существенному увеличению объема трафика передаваемой информации.
      Быстрый рост рынка информационных технологий имеет важные последствия и для пользователей, и для операторов услуг связи. Для пользователей существует постоянно расширяющийся ассортимент услуг и приложений для удовлетворения их потребностей в информации, связи и развлечениях, а для операторов существует необходимость модернизации магистральных сетей для передачи большого количества сетевого трафика.
      Время показало, что потребности человеческого общества в обмен информацией растут гораздо быстрее. При сохранении существующего темпа роста трафика, все возможности увеличения пропускной способности будет исчерпаны примерно к 2020 г.
      По данным исследования компании Ciscо опубликованным в “Ciscо Virtuаl Netwоrking Index: Fоrecаst аnd Methоdоlоgy, 2015–2020.”, за период с 2015г по 2020г объем мирового IP-трафика увеличится в 3 раза если будет сохраняться годовая динамика в 22% и глобальный трафик IP достигнет 194 экзабайта в месяц.
      
      Рис.1- рост глобального IP трафика за период 2015-2020 по прогнозу Ciscо
      Такие темпы увеличения нагрузки вызывают постоянную модернизацию транспортных сетей практически всех операторов связи. Наилучшим образом дальнейшее увеличение пропускной способности смог обеспечить применение волоконно-оптической системы передачи со спектральным разделением каналов ВОСП-СР (DWDM: Dense Wаvelength Divisiоn Multiplexing).
      При работе волоконно-оптических систем передачи со спектральным разделением (ВОСП-СР) – WDM, wаvelength divisiоn multiplexing, мультиплексирование с разделением по длине волны, по одномодовому оптическому волокну (ОВ) в оптическом диапазоне C+L со спектральной эффективностью 10 бит/с/Гц может быть реализована скорость передачи информации около 100 Тбит/с [1]. В связи с ожидаемыми потребностями в петабитовых скоростях оптических трактов передачи информации возникает так называемый «кризис пропускной способности» - cаpаcity crunch, что требует решения целого ряда технологических задач. В связи с этим сегодня активно ведется исследование технологий, которые позволят увеличить скорость оптических систем дальней связи.
      Цель и задачи исследования - Конечная цель исследования заключается в том, чтобы на основе быстрых темпов увеличения нагрузки над линиями дальней связи и экономического анализа разработки новых подходов и технологий, позволяющих обеспечить дальнейшее повышение пропускной способности волоконно-оптических сетей связи. 
      Достижение цели исследования обусловило постановку следующих основных задач: 
 Анализ современного состояния существующих DWDM систем для выявления основных тенденций и проблем в увеличении их пропускной способности; 
 Изучение влияния дисперсии и нелинейных эффектов на качество передачи при разных подходах увеличения пропускной способности существующих DWDM системы; 
 Разработка технологий, позволяющих увеличить пропускной способности существующих DWDM-систем; 
 Разработка на основе проведённого анализа и разработанных технологий рекомендаций по повышению пропускной способности
      
      Практическая значимость проведенного исследования заключается в возможности для операторов поддерживать следующие поколения сетей Ethernet и мобильной связи, клиентские сетевые сервисы передачи видео и хранения данных. 
      Разработанные технологии позволяют: 
 Ускорить активацию новых услуг в рамках сети, включая новые скоростные услуги Ethernet и ОTN(Оpticаl Telecоmmunicаtiоn Netwоrk); 
 Получить значительную экономическую выгоду за счет сокращения количества или ликвидации различного сетевого оборудования, например: усилителей, регенераторов, а также компенсаторов дисперсии; 
 Избежать прокладки нового оптоволокна за счет возможности использования волокна 10G для передачи на 40G , 100G и больше; 
 Полностью удовлетворить ожидания клиентов с помощью надежных и безотказных решений, которые были проверены в ходе многолетней практики развертывания сетей. 
 
Анализ факторов, ограничивающих увеличение   скорости передачи DWDM систем
      В первых поколениях линий ВОЛС оптические усилители не применялись, и передача оптических сигналов по волокну осуществлялась в линейном режиме, т.е. при относительно небольшое оптической мощности. Основными факторами, ограничивающими длину пролета в линии передачи, являлись потери и хроматическая дисперсия, которые компенсировались оптоэлектронными регенераторами (OEO – Optical- Electrical-Optical) [5].
	Оптоэлектронные регенераторы были затем заменены оптическими усилителями. В отличии от OEO регенераторов которые осуществляют полное восстановление цифрового сигнала (3R), оптические усилители восстанавливают только амплитуду сигнала. Линии с оптическими усилителями оптически прозрачны поэтому можно по ним передавать сигналы с любой скоростью и на любой длине волны. Оптически прозрачны оптические усилители особенно важны для DWDM систем, где по одному волокну передаются сигналы на многих длинах волн.
       Оптически усилители позволили компенсировать потери в волокнах и в компенсаторах хроматической дисперсии и существенно увеличить тем самым длину регенерационного участка линии [5]. Основными факторами, ограничивающими длину этого участка линии, стали нелинейные эффекты в волокне и накопленное спонтанное излучение усилителей. В системах DWDM проявляются наиболее сильно нелинейные эффекты так, как с увеличением количества длин волны, передаваемых по оптическому волокну, увеличивается и передаваемая по нему суммарная оптическая мощность. Чтобы уменьшить искажений сигнала, вызванных этими нелинейными эффектами, были разработаны новые форматы модуляции
       
       
I.1.	Действие линейных эффектов
       К классу линейных эффектов относятся: хроматическая дисперсия и поляризационная модовая дисперсия (ПМД). В оптической дисперсия связана с явлением уширения световых импульсов после их прохождения через дисперсионную среду. Дисперсия не только ограничивает частотный диапазон ОВ, но существенно снижает дальность передачи сигналов, так как чем длиннее линия, тем больше увеличение длительности импульсов [7].
I.1.1 Действие хроматической дисперсии
                   Хроматическая дисперсия – явление, при котором различные спектральные составляющие распространяются с различной скоростью и для каждой несущей (или частоты).  При модуляции излучения лазера результирующий модулированный сигнал содержит разные спектральные компоненты сигнала, которые распространяются в волокне с неодинаковыми групповыми скоростями. Различие в скоростях невелико, но при переходе к временным значениям, измеряемым в пикосекундах, и при скоростных системах передачи (10 Гбит/с и выше) это различие становится более значимым. Хроматическая дисперсия увеличивается с увеличением длины линии связи. Эффект уширения импульсов вызывает наложение сигналов в соседних битовых интервалах (межсимвольной интерференция), что ухудшает отношение сигнал-шум (рис.1.1).
       
       
                
          
       
  Рис. 1.1. Уширение импульса при распространении сигнала в оптическом волокне
                 В системах WDM на хроматическую дисперсию оказывает влияние:
  уменьшение шага между каналами;
  увеличение числа каналов.
Влияние хроматической дисперсии уменьшается:
 -с уменьшением абсолютной величины хроматической дисперсии волокна (уменьшение величины D);
  при использовании компенсации дисперсии путем включения в линию связи волокон с противоположными знаками хроматической дисперсии.
. Таблица 1.1 Зависимость ХД от скорости и протяженности линии передачи

Скорость передачи, Гбит/с
Максимальная допустимая ХД, пс/нм
Максимальная протяженность линии передачи, км
2,5
16000
940
10
1000
60
40
63
4
       
I.1.2 Действие поляризационной модовой дисперсии
       Поляризационная дисперсия начинает оказывать неприятные воздействия на характеристики передачи и выбор длины усилительного и регенерационного участка при скоростях 10 и выше. Это физическое явление в волокне, которое может ограничить передачу на высоких скоростях, возникающее в следствии не идеальности производства волокон (а именно неидеальное расположение сердцевины волокна, примеси внутри волокна), это то, что скорость световой волны может меняться в зависимости от поляризации света. Она может приводить к уширению импульсов, из-за дифференциальной групповой задержки (ДГЗ или DGD – Differential Group Delay) между двумя поляризационными составляющими импульса, одной распространяющей в вертикальной плоскости со своей скоростью, и второй, расположенной в горизонтальной плоскости и имеющей свою (большую или меньшую) скорость распространения. В отличие от хроматической дисперсии, ПМД быстро меняется во времени. Значение ПМД определено как среднее значение ДГЗ (??) во времени.
       
       Рис.1.2 Появление поляризационной модовой дисперсии
                          Чтобы бороться с этими явлениями, в настоящее время используются когерентные систем связи с цифровой обработкой сигналов (DSP, Digital Signal Processing), занявшие доминирующее положение среди оптических систем связи высокой ёмкости [8]. При когерентном детектировании сохраняется вся информация, содержащаяся в оптическом канале. В результате в конкретных системах связи могут быть реализованы с одновременной модуляцией поляризации, фазы и амплитуды сигнала. Наиболее удобными в практической реализации оказались форматы модуляции семейства DP-MQAM (где M – число возможных состояний сигнала).
                  Цифровая обработка детектированного электрического сигнала детектированного фотодетектора позволяет устранить или существенно ослабить линейные искажения оптического сигнала, вызванные хроматической дисперсией и поляризационной модовой дисперсией. Это дает возможность строить протяженные ВОЛС без периодической компенсации хроматической дисперсии. Максимальная длина ВОЛС на основе стандартного одномодого волокна (SSMF, Standard Single Mode Fiber) без оптических компенсаторов дисперсии превышает 4000 км. 
                  Вновь строящиеся протяженные ВОЛС для конгретных систем связи целесообразно проектировать без компенсаторов дисперсии. Однако часто когерентные системы связи устанавливаются в уже работающих ВОЛС, в части DWDM-каналов которых продолжают работать традиционные системы связи с прямым детектированием и оптической компенсацией дисперсии. В обоих случаях на распространённые могут оказывать существенное влияние нелинейные эффекты, которые приводят к снижению (штрафу по) OSNR (Optical Signal-to-Noise Ratio). Значение OSNR, требуемое для условно безошибочного приема сигнала в реальные линии оказывается заметно выше, чем при прямом соединении передатчика с приемником.  
       Влияние PMD на качество сигнала в линии связи возрастает: 
       • с увеличением скорости передачи канала; 
       • с увеличением количества участков линии (равносильно увеличению длины   оптического канала); 
       • с увеличением количества каналов (WDM).
Таблица 1.2 Оценка длины линии, ограниченной PMD при разлиных коэффициентах PMD (Dp)
Скорость передачи, Гбит/с
Битовый интервал
Допустимое значение ПМД
Длина линии (Dp=
0,01 пс/км1/2)
 Длина линии (Dp=
0,2 пс/км1/2)
Длина линии (Dp=
1 пс/км1/2)
2,5
400 пс
40 пс
160000 км
40000
1600
10
100 пс
10 пс
10000 км
2500
100
40
25 пс
2,5 пс
625 км
160
6
       
I.2.	Действие нелинейных эффектов
       При увеличении интенсивности светового потока отклик оптического волоконного световода на световое воздействие становится нелинейным. Высокая эффективность нелинейных эффектов обусловлена тем, что свет сконцентрирован на малой площади вблизи сердцевины волокна и данная высокая концентрация света сохраняется на многокилометровой длине волокна рис 1.3.
       
       
       
       
       Рис 1.3 Концентрация лазерного излучения (а) в объемной среде и (б) в волокне
       Нелинейные эффекты в оптических телекоммуникационных системах, например, в DWDM-системах обусловлены различными проявлениям и эффекта Керра (изменение показателя преломления волокна в зависимости от напряжённости приложенного электрического поля):
 фазовая самомодуляция (ФСМ, Self-Phase Modulation, SPM);
 межканальная фазовая кросс-модуляция (ФКМ, Cross-Phase Modulation, XPM);
 внутриканальная фазовая кросс-модуляция (Intra-Channel XPM, IXPM);
 межканальное четырехволновое смешение (ЧВС, Four-Wave Mixing, FWM);
 внутриканальное четырехволновое смешение (Intra-Channel FWM, IFWM);
 поляризационная кросс-модуляция (Cross-Polarization Modulation, XpolM).
                 Относительный вклад различных видов нелинейного взаимодействия зависит как от символьной скорости системы связи (формата модуляции), так и от физических параметров линии связи. Воздействие межканальных нелинейных эффектов в DWDM-системах связи, как правило, наиболее существенно при канальных скоростях 10 Гбит/с и меньше. Внутриканальные нелинейные эффекты наиболее сильно проявляются при скоростях 40 Гбит/с и выше. Степень воздействия нелинейных эффектов определяется также величиной локальной дисперсии: как правило, в волокнах с меньшей величиной локальной дисперсии (D < 10 пс(нм•км)) – внутриканальные эффекты.
                Проявление нелинейных эффектов в системах связи может выражаться в изменении формы сигнала, вызванном фазовыми и амплитудным и нелинейными искажениями, и в линейном шуме – случайных отклонениях значений символа от его среднего значения. 
                 Исследование показывают, что воздействие нелинейных эффектов на линию связи для различных конфигураций проявляется по-разному. В коротких ВОЛС или в длинных ВОЛС с компенсацией дисперсии нелинейные эффекты порождают амплитудные и фазовые искажения, которые проявляются в основном в виде искажений формы передаваемых оптических сигналов. В длинных линиях без компенсации дисперсии характер воздействия нелинейных эффектов оказывается существенно иным и может быть описан как формирование и на накопление нелинейного шума. 
                   В когерентных системах с поляризационным разделением каналов важную роль начинает играть поляризационная кросс-модуляция между каналами 100G. В ряде работ было показано, что XPolM – главный источник деградации сигнала в линиях с компенсацией дисперсии для формата          DP-QPSK, если в системе распространяются только канала 100G. При этом поляризационная модовая дисперсия приводит к деполяризации каждой поляризации и к декорреляции поляризационных компонент DP-QPSK-сигнала в процессе распространения по волокну, что ослабляет нелинейное воздействие XPolM. 
                 В линиях, где сигналы в формате DP-QPSK распространяются совместно с сигналами 10 Гбит/с вызывает гораздо больший штраф, XPolM.
                 Межканальная фазовая кросс-модуляция (XPM) вызывает фазовую модуляцию символа пропорциональную мощностному профилю соседних расширенных импульсов.
       
       
       
       
       
       
       
                   Рис. 1. 4. Межканальная фазовая кросс-модуляция
       Межканальное четырехволновое смешение (ЧВС), которое представляет из себя, по сути, обмен мощностью между символами, заключающийся в том, что при регулярно расположение частоты в пределах трех различных символов приводит к возникновению четвертой, при этом на протяжении всего времени все три частоты сосуществуют в пределах одного и того же временного интервала. На рис. 1.5 представлен частотный контент каждого импульса, расположенный в пределах полосы пропускания до прохождения кабельного участка. Из-за хроматической дисперсии, передний фронт каждого импульса испытывает смешение в сторону высоких частот, в то время как конец импульса испытывает смешение в области низких частот. Таким образом, причиной четырех волнового смешения может стать перекрытие трех последовательных импульсов, имеющих различное спектральное наполнение. 
       
       
       
       
       
       
       
       
                 
                                  
                                       Рис.1 .5. Объяснение сущности ВЧС
               В ВОЛС без компенсации дисперсии оптическое поле приобретает случайный характер из-за дисперсионных эффектов, приводящих к пространственному перекрытию сотен или тысяч передаваемых символов. Вследствие большой накопленной дисперсии воздействие нелинейных эффектов ослабляется, становится случайным по своей природе и проявляется в оптическом приемнике как шум.
                Нелинейный шум не регистрируется при измерении OSNR (Optical Signal-to-Noise Ratio, оптическое отношение сигнал/шум (ООСШ)) с помощью оптического анализатора спектра, поскольку его спектр совпадает со спектром сигнала или незначительно превосходит его. Именно поэтому требуемый OSNR, измеренный с помощью оптического анализатора спектра на реальной линий, оказывается выше, чем требуемый OSNR BTB. Если предположить, что нелинейный шум гауссов и линейно суммируется с усиленным спонтанным излучением.
                 Исследование нелинейных эффектов в скоростных каналах связи имеет важное практическое для внедрения линий 100G и выше. Знание природы и характера проявления нелинейных искажений позволяет выбрать эффективные форматы модуляции и разработать оптимальные алгоритмы обработки, ослабляющие деградацию информационных сигналов в реальных линиях связи.


 Способы увеличения пропускной способности DWDM систем
      Развитие скоростных DWDM-систем по нескольким поднесущим долгое время в оптических сетях дальней связи удавалось увеличивать пропускную способность при сохранении дальности передачи информации. Важную роль при этом играло развитие технологий упреждающей коррекции ошибок (FEC). За последние несколько сменилось поколения каналообразующего оборудования (от 2,5G – к 10G, 40G, 100G) с обязательным переходом на более развитую технологию FEC (HD FEC, Super FEC, Sоft FEC). Магистральные системы 100G с форматом модуляции DP-QPSK, похоже, стали вершиной развития волоконно-оптических систем связи по базовому параметру.
      Однако постоянный рост трафика между крупными городами и в пределах городских агломераций, а также бурное развитие дата-центров диктуют необходимость дальнейшего развития систем передачи, причем необязательно за счет повышения производительности
        В настоящее время увеличение пропускной способности DWDM-систем удовлетворяется за счет:
а. Роста спектральной эффективности использования рабочих спектральных областей;
     - уменьшение расстояния между соседними спектральными каналами
     - увеличение канальной скорости передачи информации 
  б. Расширения используемых рабочих спектральных областей.
	
В оптических системах связи 10 Гбит/с и меньше преимущественно используются бинарные амплитудные форматы модуляции (АSK-Аmplitude Shift Keying). Скорость цифровой обработки и передачи символов ограничивается физическими факторами на уровне около 50 Гбод. Поэтому, при увеличении канальной скорости передачи информации до 100 Гбит/с, а тем более до 400 Гбит/с требуется использовать многоуровневые форматы модуляции с информационной емкости более 2 бит/символ. Данные форматы модуляции позволяют уменьшить ширину оптического спектра, занимаемого сигналом, и таким образом увеличить спектральную эффективность модуляции (SE – spectrаl efficiency). С технической точки зрения наибольшие перспективы предоставляют те из них, которые используют когерентное детектирование [2].
	Когерентные системы связи позволяют использовать все четыре степени свободы одномодового светового пучка: амплитуду и фазу (или две квадратуры) в каждой из двух поляризаций, это означает что для кодирования информации могут быть использованы две компоненты электрического поля (синфазная, квадратурная). Это позволяет увеличить спектральную эффективность без снижения дальности безрегенерационной передачи. Например, формат DP-QPSK (duаl pоlаrizаtiоn – quаter phаse shift keying) обладает емкостью 4 бита на каждый символ при использовании всего одного уровня мощности. Соответственно, переход к когерентному детектированию дает возможность увеличить скорость передачи информации, не увеличивая символьную скорости, т.е. при расстоянии между соседними каналами 50 ГГц. 
       Таким образом, переход от прямого детектирования к когерентному в новом поколении позволяет увеличить количество передаваемой информации с использованием спектрального и поляризационного уплотнения каналов, а также спектрально-эффективных форматов модуляции, в частности формата DP-QPSK.
       Не случайно, что буквально за последние несколько лет системы с модуляцией мощности (ООК), работающие на частоте повторения 10 Гбит/с, заменили когерентные форматы модуляции на частотах повторения 40 и 100 Гбит/с. Структура оптического сигнала в формате DP-QPSK показана на рис.2.1. Сигнал содержит два информационных компонента в формате QPSK на ортогональных поляризациях. Это означает, что происходит поляризационное мультиплексирование (см. рис.2.1. а), из-за этого аббревиатура PM-QPSK, т.е. поляризационно-мультиплексированный QPSK используется чтобы обозначить данный формат вместе с аббревиатурой DP-QPSK. В свою очередь, каждый из двух ортогонально поляризованных сигналов в формате QPSK представляется в виде объединения двух бинарных фазовых сигналов BPSK, сдвинутых по фазе на ?/2 (см. рис.2.1. б).

а 								б
Рис. 2.1. Структура оптического сигнала в формате DP-QPSK:
а – поляризационное мультиплексирование двух сигналов в формате QPSK;
б – структура сигнала QPSK
II.1.	 Многоуровневые форматы модуляции.
       Дальнейшее развитие DWDM-систем связи основано на использовании более сложных форматов модуляции (DP-16QАM, DP-64QАM и др.), которые позволяют существенно повысить спектральную эффективность ?. увеличение спектральной эффективности оптических телекоммуникационных систем можно двумя способами: уменьшить расстояние между каналами или увеличить канальную скорость. Увеличение канальной скорости экономически более перспективно, так как позволяет уменьшить стоимость единицы передаваемой информации. По оценкам, увеличение скорости канала в четыре раза обеспечивает снижение стоимости единицы передаваемой информации примерно в 2,5 раза, поскольку при фиксированном значении ? увеличивает расстояние между каналами, уменьшает требования к стабильности длины волны Лазерного излучения и спектральные характеристики мультиплексоров. Однако, наряду с отмеченными преимуществами, увеличение скорости передачи информации сопровождается увеличением искажения цифровых сигналов в линии связи. В частности, искажения, вызванные хроматической дисперсией, увеличиваются пропорционально квадрату скорости передачи в канале, искажения, вызванные дисперсией поляризационной моды (PMD), в первом приближении пропорциональны первой степени долота Скорость канала. Поэтому по мере увеличения скорости передачи растет интерес к новыми более сложными форматам, которые менее чувствительны к дисперсии и нелинейным искажениям. Однако усложнение структуры формата модуляции вызывает существенное падение дальности передачи. В исследованиях проводимые разными крупными компаниями, сообщается о ведущихся экспериментах с форматами 128QАM и даже 256QАM. Такие форматы дают заметный выигрыш в скорости передачи информации для коротких линий при фиксированной полосе. Выигрыш в скорости достигается за счет большей информационной емкости таких форматов: один символ в формате DP-QPSK переносит 4 бита, а один символ в формате DP-256QАM – 16 бит. Можно прогнозировать внедрение систем 200G и 400G в городских сетях с использованием форматов DP-16QАM уже в ближайшее время. Ведутся интенсивные исследования по увеличению качества сигналов и совершенствованию алгоритмов работы высокоуровневых форматов с целью использования их в сетях связи.
            Увеличение скорости достигается за счет большей информационной емкости таких форматов: один символ в формате DP-QPSK передает 4 бита, а один символ в формате DP-256QAM переносит 16 бит. В ближайшем будущем можно прогнозировать внедрение систем 200G и 400G в городских сетях с использованием форматов DP-16QAM. В настоящее время проводятся интенсивные исследования для улучшения качества сигналов и улучшения алгоритмов для высокоуровневых форматов, которые будут использоваться в сетях связи.
           Таким образом, можно определить две главные задачи, которые предполагается решить с использованием новых форматов: во-первых, обеспечение более эффективного использования спектральных каналов в системах спектрального уплотнения (DWDM) и во-вторых, уменьшение чувствительности информационных сигналов к искажениям из-за дисперсии или нелинейности.
II.2.	Увеличение символьной скорости.
       Скорость передачи символов ограничивается физическими факторами на уровне около 50 Гбод. В транспондерах современных систем связи используются символьные скорости 30 и 40 Гбод, причем наиболее широкое распространение получили системы связи с символьными скоростями около 30 Гбод [2]. Именно такие символьные скорости реализуются в наиболее распространенных когерентных транспондерах со скоростью передачи информации 100 Гбит/с, использующих формат DP-QPSK. Увеличение символьной скорости обеспечивает лучшую управляемость сети и потенциально может привести к сокращению потребления энергии и пространства, занятого оборудованием (объемами) в точках регенерации и узлах сети связи. Кроме того, задачу перехода на новые канальные скорости –400 Гбит/с и 1 Тбит/с на канал – ставят потребители услуг связи [2].




II.3.	Примеры реализации скоростей выше 100G.
Основой оценки максимально возможных скоростей ВОСП-СР являются пределы Шеннона и Найквиста [2].
В соответствие с формулой Шеннона максимальная возможная скорость передачи информации V с ограниченной полосой частот F и отношением сигнал/шум SNR (или S/N) равна
                                      V ? Flog2(1 + S/N).                                                      (2.1)
Из формулы (2.1), виражем спектральную эффективность ?, получим,
                                       ?  = V/F = log2(1 + S/N).                                             (2.2)
Для системы WDM с числом спектральных каналов m, суммарная битовая линейная скорость определяется следующем выражением
                                    V? = m Vк = m?p?s?B, бит/с,                                            (2.3)
где p – коэффициент поляризационного мультиплексирования. 
         В эксперименте канальный интервал 50 ГГц уплотняется 8-ю подканалами 6,25 ГГц с передачей на 8-ми оптических несущих сигналов формата DP-64QAM c символьной скоростью 5,71 ГБод, при коэффициенте ската r = 0,01. Общая канальная скорость Vк = 2?6?5,17?8 = 548 Гбит/с. С учетом избыточности кодирования ? = 20%, спектральная эффективность                    ? = 548/(50•1,2) = 9,1 бит/с/Гц. Передавались 224 канала в диапазоне C+L (1530…1625 нм) с тремя усилительными участками и романовским усилителем (длина участка 80 км).
          Для DWDM приемлемым решением может быть формат DP-16QAM с символьной скоростью 32 ГБод и двумя поднесущими в канальном диапазоне 100 ГГц, но недостаток для этого заключается в низкое отношение сигнал/шум и уменьшение длины секции регенерации.
         С целью снижения количества транспондеров в оборудовании DWDM и экономии дорогостоящих оптических компонентов, проведен эксперимент с повышенными символьными скоростями: 107 и 80 ГБод. Сигналы 107 ГБод переданы в формате DP-QPSK с канальными скоростями 428 Гбит/с на частотной сетке 120 ГГц при кодовой избыточности ? = 7%. Суммарная скорость передачи информации по 10-ти каналам составила 4 Тбит/с, спектральная эффективность ? = 3,3 бит/с/Гц. Сигналы 80 ГБод переданы в формате DP-16QAM. На сетке 200 ГГц были созданы оптические каналы с линейной скоростью 1,28 Тбит/с на двух несущих (рис. 4.9), содержащие два подканала со скоростями 640 Гбит/с каждый. Пять каналов 1Т в диапазоне длин волн 1548...1557 нм обеспечили суммарную линейную скорость          6,4 Тбит/с; при ? = 23% информационные скорости составили соответственно 1,04 Тбит/с и 5,2 Тбит/с (включая служебные сигналы форматирования и т.п.), спектральная эффективность – 5 бит/с/Гц.
                          
                             Рис. 2.2. Спектр 1Т каналов на двух поднесущих
              Многочастотная модуляция с ортогональными поднесущими (Orthogonal frequency division multiplexing OFDM) рассматривается как перспективный вариант формирования канальных сигналов DWDM классов 400G и выше. Применяется электронное формирование OFDM-сигналов с последующим переносом в оптическую. В системе с использованием 80-ти спектральных каналов OFDM со скоростями достигается суммарная скорость 16 Тбит/с. В каждом спектральном канале 512 поднесущих модулируются в формате 16QAM с двухполяризационным мультиплексированием канального сигнала. Спектральная эффективность составляет 7,14 бит/с/Гц. 
         В экспериментальном образце были сформированы в диапазоне 1548...1557 нм на частотной сетке 50 ГГц 20 каналов DP-QPSK с канальными скоростями 224 Гбит/с и кодовой избыточностью ? = 7%. В передаче  использовалась традиционная инфраструктура: стандартное одномодовое G.652 и эрбиевые усилители, 38 участков по 80 км. Особенность заключалась в превышении предела Найквиста: B = 56 ГБод > 50 ГГц = Fки, использовался метод «быстрей Найквиста» (Faster-than-Nyquist, FTN-). Согласно этому, тактовый интервал последовательной передачи символов ? берётся меньше интервала Т между равноотстоящими моментами нулевых значений импульсного отклика тракта передачи. Символы теряют ортогональность, возникает принципиально обязательная межсимвольная интерференция. Для снижения последней в приемнике осуществляется соответствующим образом обработка сигнала. При передаче импульса постоянного тока с прямоугольным спектром оптимальным с целью минимизации среднеквадратической величины межсимвольной интерференции является значение ? = 0,802Т; при этом       B = 1/(0,802Т) = 1,247•(1/Т) – предел Мазо. Для модулированных сигналов с передачей двух боковых полос частот, таким образом, предел Мазо составляет около 1,25 на 1 герц полосы частот тракта передачи (предел Найквиста – один бод на герц), в случае импульсов со спектром прямоугольной формы. Величина ? варьируется выбором значения параметром ската r спектра корень квадратичного приподнятого косинуса (Xcos(f))1/2 передаваемых символов.






II.4.	Использование множества несущих (суперканалы)
Суперканал - это совокупность нескольких (порядка 10) очень плотно расположенных оптических каналов, несущие частоты которых обычно называют оптическими поднесущими [4]. Предполагается, что суперканал при прохождении по оптической сети маршрутизируется оптическими устройствами как единое целое и его суммарная скорость передачи информации будет в терабитном диапазоне.
       Использование множества несущих (поднесущих) позволяет увеличить канальную скорость до 400 Гбит/с и 1 Тбит/с при меньших требованиях к быстродействию электроники, чем при использовании одной несущей (если используются форматы модуляции одного уровня сложности). Основным недостатком данной технологии является сложности цифровой обработки сигналов и необходимость синхронизации потоков данных, передаваемых по разным поднесущими частот.
       Чтобы увеличить спектральную эффективность (и, следовательно, пропускную способность системы связи с фиксированной полосой передачи) необходимо максимально плотно располагать каналы. Можно располагать с максимальной плотностью каналы с прямоугольным спектром модуляции сигнал. Методы формирования сигналов с заданными спектральными характеристиками называют «спектральной инженерией». Такая технология расположения каналов с максимальной плотностью называется Найквист-WDM и является объектом широкого исследования как теоретически, так и экспериментально с целью создания экономичных коммерческих систем связи.



а) Суперканал (поднесущие)




б) Защитные Полосы
Рис.2.3 Спектр DWDM сигнала, состоящего из терабитных суперканалов, содержащих по 10 поднесущих в формате DP-QPSK: (а) -  спектр одного суперканала, (б) - спектр DWDM сигнала в рабочем диапазоне спектра.
       В перспективе повышения скорости передачи, рассматривается в настоящее время технология пространственного мультиплексирования с использованием многосердцевинных и маломодовых волокон для достижения скоростей передачи по волокну порядка 1 Пбит/с и выше. Однако необходимо решить ряд технологических проблем для её практической реализации.


Заключение


Источник литература

.......................