Пассивная волоконно-оптическая сеть

Пассивная волоконно-оптическая сеть

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к области телекоммуникации, к пассивным оптическим сетям с петлевой архитектурой. Оно может быть использовано в широковещательных телекоммуникационных сетях, а также в локальных сетях обмена данными.

В области телекоммуникации под пассивными оптическими сетями понимают сети, в которых передача оптического сигнала между центральным узлом и множеством абонентских узлов осуществляется пассивными статическими компонентами, без усиления, регенерации/ретрансляции и т.п. активными компонентами, вне зависимости от архитектуры (или топологии) сети: шинной (линейной), петлевой или древовидной.

Типичная пассивная оптическая сеть с древовидной архитектурой содержит центральный узел, множество абонентских узлов и канал передачи, включающий магистральное оптическое волокно, разветвитель 1×N (типа «звезда») и N отводов оптических волокон от «звезды». Передатчик и приемник центрального узла оптически связаны с магистральным волокном через двунаправленный спектральный уплотнитель/разделитель (WDM-мультиплексор). Передатчик и приемник абонентского узла оптически связан через WDM-мультиплексор абонентского узла с одним из отводов «звезды» [1].

Передача от центрального узла к абонентским узлам ведется на одной длине волны (нисходящий поток). Передача от всех абонентских узлов к центральному узлу ведется на другой длине волны (восходящий поток).

Нисходящий поток является широковещательным и организован по методу временного уплотнения/разделения сигналов, предназначенных разным абонентским узлам.

Восходящий поток организован в соответствии с принятым в сети протоколом доступа с временным уплотнением/разделением сигналов от разных абонентских узлов, когда каждому абонентскому узлу для передачи отводится определенный интервал времени. Разделение встречных потоков осуществляется в узлах сети WDM-мультиплексорами.

Считается, что сеть с древовидной архитектурой имеет преимущество перед другими сетями в экономии оптического волокна [2, стр.479]. Однако в случае значительного удаления абонентских узлов от «звезды» и большом числе абонентских узлов (а современный уровень развития техники уже позволяет включать до 64 узлов при гигабитных скоростях передачи [2]) - по экономии волокна данная сеть уступает сетям с однонаправленной оптической петлей. В самом деле, если за радиус r петли принять среднюю длину отвода от разветвителя 1×N до абонентского узла, периметр петли будет равен 2πr, а суммарная длина отводов N×r. Откуда, из неравенства 2πr<N×r, следует, что уже для числа абонентов N>6 сеть с древовидной архитектурой (без учета длины магистрального волокна) уступает сети с петлей по экономии оптического волокна. Вместе с тем, у известных пассивных оптических сетей с петлевой (или кольцевой) архитектурой имеется существенный недостаток: ограничение по числу узлов. В пассивной сети со «звездой» мощность оптического сигнала на приемнике абонентского узла пропорциональна N^-1 (разветвитель 1×N делит мощность на N частей). В пассивной сети с оптической петлей и М узлами мощность оптического сигнала на приемнике абонентского узла пропорциональна М^-2 [3, 4]. Таким образом, при равных бюджетах, скоростях передачи и допустимых коэффициентах ошибок BER пассивная сеть с «петлей» в √N раз проигрывает по числу узлов сети с «деревом». Подчеркнем, что последнее утверждение справедливо только в отношении полностью пассивных сетей с передачей информации на одной рабочей длине волны. В той же работе [4] указанное ограничение удается обойти путем наделения абонентских узлов функцией ретрансляторов и использования в петле динамических ответвителей с управляемым коэффициентом ответвления, т.е. фактически включением в линию передачи активных компонентов.

Известна пассивная волоконно-оптическая сеть, содержащая однонаправленную волоконно-оптическую петлю и N направленных ответвителей, расположенных в разных точках петли. Сеть содержит центральный узел и множество абонентских узлов. Передатчик центрального узла оптически связан с началом волоконно-оптической петли, а приемник - с ее концом. Передатчик и приемник каждого абонентского узла оптически связаны с волоконно-оптической петлей через соответствующий направленный ответвитель [5].

В сети реализуется передача информации в двух потоках: от центрального узла к абонентским узлам и от абонентских узлов к центральному узлу по одному направлению в петле.

Данное техническое решение принято за прототип.

Прототип имеет тот же недостаток, что и пассивные сети - аналоги с однонаправленной оптической петлей: ограничение на количество абонентских узлов в сети.

Если α-коэффициент ответвления один и тот же в обоих потоках передачи, то затухание, вносимое в оптический сигнал только ответвителями, приводит к следующему выражению для коэффициента передачи k в петле:

В выражении (1) учтены наихудшие (в смысле вносимых потерь) случаи распространения оптического сигнала в петле: от передатчика центрального узла через (N-1) ответвителей и ответвление к приемнику последнего в петле абонентского узла; или от передатчика первого абонентского узла к приемнику центрального узла. Для коэффициента передачи k справедлива следующая оценка:

В свою очередь правая часть неравенства (2) имеет максимум при α=1/(N-1).

Т.о.

Пусть теперь P₁ - мощность передатчика (точнее, мощность, вводимая в оптическое волокно от лазера передатчика), а Р₂ - минимальная детектируемая мощность приемника (при заданном уровне коэффициента ошибок BER); тогда из равенства Р₂=kP₁ и неравенства (3) следует

Отношение P₁/P₂ в неравенстве (4) известно как бюджет сети или энергетический потенциал сети. Целая часть [P₁/Р₂] равна предельному числу абонентских узлов, теоретически возможному в пассивных сетях. Из неравенства (4) следует, что по количеству абонентских узлов прототип почти в три раза уступает теоретическому пределу.

Предлагаемым изобретением решаются задачи увеличения числа абонентских узлов в сети и расширения арсенала технических средств в области телекоммуникации.

Для достижения этого технического результата пассивная волоконно-оптическая сеть содержит однонаправленную волоконно-оптическую петлю и N направленных ответвителей, расположенных в разных точках петли, центральный узел и множество абонентских узлов. Передатчик центрального узла оптически связан с началом волоконно-оптической петли, а приемник - с ее концом. Передатчик и приемник каждого абонентского узла оптически связаны с волоконно-оптической петлей через соответствующий направленный ответвитель. В отличие от прототипа направленные ответвители от первого к последнему, в порядке их расположения от начала к концу волоконно-оптической петли, выполнены с возрастанием коэффициентов ответвления на длине волны излучения передатчика центрального узла и с убыванием коэффициентов ответвления на длине волны излучения передатчика любого абонентского узла.

Согласно частному случаю исполнения направленные ответвители выполнены с возрастанием коэффициентов ответвления в последовательности: 1/N, 1/(N-1), ..., 1/3, 1/2, 1 на длине волны излучения передатчика центрального узла и с убыванием коэффициентов ответвления в последовательности: 1, 1/2, 1/3, ..., 1/(N-1), 1/N на длине волны излучения передатчика любого абонентского узла.

Согласно частному случаю исполнения каждый направленный ответвитель выполнен на двух связанных оптических волноводах, концы которых образуют две пары входного и выходного портов, одной парой портов ответвитель включен в разрыв оптического волокна петли, а другая пара портов предназначена для соединения с передатчиком и приемником абонентского узла.

Согласно частному случаю исполнения приемник каждого абонентского узла снабжен селективным фильтром на ту или другую длину волны излучения передатчика центрального узла, а приемник центрального узла снабжен заграждающим фильтром для тех же длин волн.

Изобретение проиллюстрировано чертежами, Фиг.1-5.

На Фиг.1 изображена блок-схема пассивной волоконно-оптической сети согласно изобретению.

На Фиг.2 изображена функциональная схема спектрально-зависимого направленного ответвителя.

На Фиг.3 приведено схематическое изображение направленного ответвителя на двух связанных оптических волноводах.

На Фиг.4 приведены графики биения мощности вдоль однородных связанных волноводов для двух длин волн.

На Фиг.5 изображена блок-схема сети с резервной линией передачи.

Пассивная волоконно-оптическая сеть - Фиг.1 - содержит однонаправленную волоконно-оптическую петлю 1 с одним оптическим волокном, центральный узел 7 и множество абонентских узлов 8, 9, ..., 12. В разных точках петли 1 расположены N направленных ответвителей 2, 3, ..., 6. Передатчик 13 центрального узла 7 оптически связан с началом 15 петли 1, а приемник 14 - с концом 16 петли 1.

Передатчик 17 и приемник 18 каждого абонентского узла 8, 9 ..., 12 оптически связаны с волоконно-оптической петлей 1 соответственно через ответвители 2, 3, ..., 6. Направленные ответвители 2, 3, ..., 6 одной парой из входного 19 и выходного 20 портов включены в разрывы оптического волокна петли 1 в разных точках петли. Другой парой из входного 21 и выходного 22 портов ответвители 2, 3, ..., 6 соединены двухволоконными линиями связи 23 соответственно с передатчиком 17 и приемником 18 абонентских узлов 8, 9, ..., 12. Приемники 18 абонентских узлов 8, 9, ..., 12 снабжены селективными фильтрами 24, 25, ..., 28 на длину волны излучения передатчика 13 центрального узла 7. Передатчик 13 содержит лазер (не показан) с фиксированной или перестраиваемой длиной волны излучения.

Фильтры 24, 25, ..., 28 настроены или на одну и ту же длину волны λ₁ или на разные длины волн λ₁₁, λ₁₂, ..., λ_1N излучения лазера передатчика 13.

Приемник 14 центрального узла 7 снабжен заграждающим фильтром 25 для длин волн излучения передатчика 13.

Направленные ответвители 2, 3, ..., 6, функциональная схема которых изображена на Фиг.2, имеют спектрально-зависимый коэффициент ответвления α_i(λ), где i - порядковый номер расположения ответвителя в петле 1 при обходе петли по направлению передачи от начала 15 к концу 16 (Фиг.1)

Коэффициенты ответвления α_i(λ) возрастают с увеличением номера i ответвителя на длине волны λ₁ излучения передатчика 13 и убывают на длине волны λ₂ излучения передатчика 17 любого абонентского узла 8, 9, ..., 12.

В таблице приведены оптимальные коэффициенты ответвления α_i для ответвителей 2, 3, ..., 6, позволяющие подключить в волоконно-оптическую петлю 1 максимально возможное число абонентских узлов.

Поз. на Фиг.1	2	3	4	...	5	6
i	1	2	3	...	N-1	N
αi(λ1)	1/N	1/(N-1)	1/(N-2)	...	1/2	1
αi(λ2)	1	1/2	1/3	...	1/(N-1)	1/N

При этом число N равно теоретическому пределу, определяемому бюджетом сети

Ниже докажем последнее утверждение.

Оптический сигнал на длине волны λ₁ передатчика 13 последовательно отводится из петли 1 на приемники 18 абонентских узлов 8, 9, ..., 12. В соответствии с Табл.1 первый ответвитель 2 в петле 1 отводит мощность P₁/N. На второй ответвитель 3 сигнал поступает ослабленным (1-1/N)P₁ и ответвитель 3 отводит мощность, равную (1/(N-1))(1-1/N)P₁=P₁/N и т.д. Т.о. цепочка ответвителей 2, 3, ..., 6, включенная в петлю 1, отбирает на приемники 18 абонентских узлов 8, 9, ..., 12 ровно по P₁/N оптической мощности. Тем самым достигается теоретический предел (5) в первом потоке передачи: от центрального узла к абонентским узлам. Оптический сигнал на длине волны λ₂ от передатчиков 17 абонентских узлов 8, 9, ..., 12 вводится ответвителями 2, 3, ..., 6 в петлю 1. В соответствии с таблицей i-й ответвитель вводит в линию 1 мощность P₁/i. Оптический сигнал, распространяясь в петле 1, последовательно ослабляется ответвителями с номерами (i+1), (i+2), ..., (N-1), N и поступает на приемник 14 центрального узла 7 ослабленным в N раз, независимо от номера i передающего абонента:

Т.о. и во втором потоке передачи (от абонентских узлов к центральному узлу) количество абонентских узлов также достигает теоретического предела (5).

Среди известных направленных ответвителей, отвечающих требованиям изобретения, следуем выделить ответвители, устроенные по принципу связанных волноводов. Схема такого ответвителя изображена на Фиг.3. Оптические волноводы 31, 32, расположенные параллельно друг другу, взаимодействуют между собой спадающими внешними полями. Взаимодействие волноводов приводит к тому, что мощность моды одного волновода частично передается моде другого волновода. Мощность, переданная в моду волновода 32, имеет вид [6, стр.231-236].

где F₁ - мощность на входном порту 33 волновода 31; Δβ=(β₁-β₂)/2; β₁, β₂ - фазовые постоянные распространения мод волноводов 31, 32 соответственно; с - коэффициент связи между модами волноводов.

Коэффициент связи с имеет обратную экспоненциальную зависимость от расстояния d между волноводами и обратно пропорциональную зависимость от длины волны λ.

На Фиг.4 представлены графики биения мощности F₂ вдоль волновода для двух длин волн λ₁=1550 нм и λ₂=1310 нм для нормированной мощности F₁=1. Длины биений l₁, l₂ на длинах волн λ₁, λ₂ соотносятся следующим образом: l₁:l₂≈λ₁:λ₂=1550/1310≈1,28. Графики наглядно показывают, что, варьируя величинами с, Δβ и длиной связи L (Фиг.3), всегда можно добиться коэффициентов ответвления α_i(λ₁) и α_i(λ₂), отвечающих таблице. Отметим, что рассмотренные ответвители являются широкополосными устройствами, и соотношения, близкие к указанным в таблице, будут выполняться для двух полос: 1550±40 нм и 1310±40 нм.

Спектрально зависимые ответвители нашли применение в устройствах частотного уплотнения/разделения (WDM-мультиплексорах), для которых стремятся иметь коэффициенты ответвления α(λ₁)=1, α(λ₂)=0. Как следует из выражения (6) и графиков, это возможно только при условии соблюдения фазового синхронизма Δβ=0. Последнее трудновыполнимо на практике, и поэтому WDM-мультиплексоры всегда имеют избыточные потери, снижающие уровень оптического сигнала на приемниках сетей, использующих WDM-мультиплексирование. И, как следствие, сокращается количество абонентских узлов - пропорционально вносимым потерям. Так, использование в аналоге [1] ответвителей α(λ₁)=1/2 ведет, как минимум, к сокращению вдвое количества абонентских узлов. В то же время указанный недостаток ответвителей незначительно влияет на общее количество абонентских узлов в изобретении, так как приводит к сокращению только двух крайних в петле (Фиг.1) абонентских узлов (см. Табл.1).

Работа заявленной сети Фиг.1 основана на том же принципе, что и работа сетей, известных как PON (Passive Optical Networks) [2, стр.469-478].

Центральный узел OLT (Optical Line Terminal) 7 принимает данные со стороны магистральных сетей через интерфейсы подключения SNI (Service Node Interfaces) и формирует первый поток (аналогичный нисходящему потоку в PON) к абонентским узлам ONU (Optical Network Unit) 8, 9, ..., 12 по петле 1. При этом используется любой из известных в PON технологиях способов формирования потока, например синхронной передачей с разделением во времени TDM (Time Division Multiplexing) сигналов, предназначенных разным абонентским узлам 8, 9, ..., 12. Передатчик 13 в этом случае работает на фиксированной длине волны λ₁=1550 нм, и все фильтры 24, 25, ..., 28 настроены на эту длину волны λ₁. Второй поток (аналогичный восходящему потоку в PON) от абонентских узлов 8, 9, ..., 12 к приемнику 14 центрального узла 7 формируется способом синхронного доступа с временным разделением TDMA (Time Division Multiplexing Access) сигналов от передатчиков 18 абонентских узлов 8, 9, ..., 12. При этом передача ведется на длине волны λ₂=1310 нм и каждому абонентскому узлу 8, 9, ..., 12 устанавливается индивидуальное расписание с учетом удаленности узла от приемника 14. Селективные фильтры 24, 25, ..., 28 на длину волны λ₁ и заграждающий фильтр 29 на ту же длину волны λ₁ выполняют в сети функцию разделения потоков, распространяющихся в петле 1 по одному направлению (на Фиг.1 по часам). Фильтры 24, ..., 28 и 29 в этом случае могут быть самой простой конструкции, например интерференционными в виде многослойных покрытий непосредственно на входных окнах приемников 18.

В сети без фильтров 24, 25, ..., 28 и 29 передача осуществляется чередованием временных циклов первого и второго потоков (низкоскоростной режим работы сети).

В заявленной сети также возможна передача частотно-временными пакетами сигналов [7, стр.250]. В первом потоке временные позиции сигналов, предназначенные разным абонентским узлам 8, 9, ..., 12, передаются на разных длинах волн λ₁₁, λ₁₂, ..., λ_1N перестраиваемого лазера передатчика 13. Фильтры 24, 25, ..., 28 настроены на длины волн λ₁₁, λ₁₂, ..., λ_1N соответственно и конструктивно выполнены в виде Фабри-Перо фильтров. Во втором потоке передача от абонентских узлов 8, 9 ..., 12 к приемнику 14 центрального узла 7 ведется на одной длине волны λ₂ методом синхронного доступа с разделением во времени TDMA.

Известно, что петлевая (кольцевая) архитектура сети с резервной линией передачи обеспечивает надежную защиту графика. Решение задачи резервирования в заявленной сети может быть осуществлено разными путями. Наиболее простое решение заключается в полном дублировании основной сети резервным сегментом со встречным направлением передачи в петле. Возможны также дублирования только пассивной петли, или, одновременно с этим - частичное дублирование активных компонентов сети, например передатчиков в узлах. Именно такое решение схематично представлено на Фиг.5. Пассивная волоконно-оптическая сеть содержит основную петлю 51 и резервную петлю 52 с противоположными направлениями передачи в петле. Центральный узел 53 содержит передатчик 57 и приемник 58, связанные с основной петлей 51; и передатчик 59 и приемник 60, связанные с резервной петлей 52. Каждый абонентский узел 54, 55, 56 содержит первый передатчик 67, второй передатчик 68 и приемник 69. Передатчик 67 через соответствующий ответвитель 61, 62, или 63 оптически связан с основной линией передачи 51. Передатчик 68 через соответствующий ответвитель 64, 65 или 66 оптически связан с резервной линией 52. Приемник 69 каждого абонентского узла 54, 55, 56 оптически связан одновременно с основной и резервной петлями 51, 52.

Ответвители 61, 62, 63 основной петли 51 и ответвители 64, 65, 66 резервной петли 52 имеют спектрально-зависимые коэффициенты ответвления в соответствии с таблицей.

При обрыве оптического волокна в основной петле 51 передача на время ремонта ведется по резервной петле 52. В случае одновременного обрыва оптических волокон в петлях 51, 52 (на Фиг.5 в точках 70, 71) график полностью восстанавливается передачей в оставшихся от петли «хвостах», как в двухволоконных линейных шинах. В левом «хвосте» работают передатчики 67 абонентских узлов, в правом «хвосте» - передатчики 68 (на Фиг.5 маршрут передач указан пунктиром).

Заявленная сеть, несмотря на петлевую архитектуру, может рассматриваться как вариант PON сети. То есть она полностью совместима с аппаратными и программными продуктами, выпускаемыми промышленностью для PON технологии.

С другой стороны, изобретение имеет преимущество перед известными PON сетями с древовидной архитектурой в экономии оптического волокна, простоте мониторинга при эксплуатации сети и доступности (защите трафика). Следовательно, промышленное применение изобретения будет экономически обоснованной альтернативой известным сетям.

Литература

1. Патент US 5574584, кл. 359-125, 1996 г. публ.

2. Фриман Р. Волоконно-оптические системы связи. 2-е дополнительное изд.: Пер. с англ. под ред. Н.Н.Слепова. - М.: Техносфера, 2004 г.

3. Патент RU 2264692, Н04В 10/12, 2005 г. публ.

4. Патент GB 2154091, Н04В 9/00, 1985 г. публ.

5. Патент US 5576875, кл. 359-125, 1996 г. публ.

6. Унгер Х.-Г. Планарные и волоконные оптические волноводы. / Пер. с англ. В.В.Шевченко. - М.: Мир, 1980 г.

7. Телекоммуникационные системы и сети: Учебное пособие в 3 т. Том 3. - Мультисервисные сети; под ред. проф. В.П.Шувалова. - М.: Горячая линия - Телеком, 2005 г.

1. Пассивная волоконно-оптическая сеть, содержащая однонаправленную волоконно-оптическую петлю и N направленных ответвителей, расположенных в разных точках петли, центральный узел и множество абонентских узлов, передатчик центрального узла оптически связан с началом волоконно-оптической петли, а приемник - с ее концом, передатчик и приемник каждого абонентского узла оптически связаны с волоконно-оптической петлей через соответствующий направленный ответвитель, каждый ответвитель одной парой из входного и выходного портов включен в волоконно-оптическую петлю, а другая пара из входного и выходного портов предназначена для соединения соответственно с передатчиком и приемником абонентского узла, отличающаяся тем, что направленные ответвители от первого к последнему, в порядке их расположения от начала к концу волоконно-оптической петли, выполнены с возрастанием коэффициентов ответвления на длине волны излучения передатчика центрального узла и с убыванием коэффициентов ответвления на длине волны излучения передатчика любого абонентского узла.

2. Сеть по п.1, отличающаяся тем, что направленные ответвители выполнены с возрастанием коэффициентов ответвления в последовательности: 1/N, 1/(N-1), ..., 1/3, 1/2, 1 на длине волны излучения передатчика центрального узла и с убыванием коэффициентов ответвления в последовательности: 1, 1/2, 1/3, ..., 1/(N-1), 1/N на длине волны излучения передатчика любого абонентского узла.

3. Сеть по п.1 или 2, отличающаяся тем, что каждый направленный ответвитель выполнен на двух связанных оптических волноводах, концы которых образуют две пары из входного и выходного портов.

4. Сеть по п.1, отличающаяся тем, что приемник каждого абонентского узла снабжен селективным фильтром на ту или другую длину волны излучения передатчика центрального узла, а приемник центрального узла снабжен заграждающим фильтром для тех же длин волн.