eng
Выпуск #7/2022
В. Н. Трещиков, М. А. Горбашова, М. О. Жулидова, В. А. Конышев, А. В. Леонов, О. Е. Наний, Д. Д. Старых, Р. Р. Убайдуллаев, И. И. Шихалиев
Достижения и перспективы отечественных DWDM-систем связи
Достижения и перспективы отечественных DWDM-систем связи
Просмотры: 1506
DOI: 10.22184/1993-7296.FRos.2022.16.7.564.583
Рассмотрены история развития, достижения и современные тенденции совершенствования технологических решений по увеличению скорости передачи, энергетической и экономической эффективности работы отечественных волоконно-оптических сетей связи.
Рассмотрены история развития, достижения и современные тенденции совершенствования технологических решений по увеличению скорости передачи, энергетической и экономической эффективности работы отечественных волоконно-оптических сетей связи.
Теги: ber coherent detection data centers dwdm edfa error rate extra-long lines faraday effect fiber optic communication network flatness flexgrid modulation format osnr margin required osnr ropa spectral efficiency spectrum management spectrum shaping symbol rate волоконно-оптическая сеть связи дата-центры запас по osnr когерентный прием коэффициент ошибок неравномерность сверхдлинные линии символьная скорость спектральная эффективность требуемый osnr управление спектром формат модуляции формирование спектра эффект фарадея
Достижения и перспективы отечественных
DWDM-систем связи
В. Н. Трещиков 1, М. А. Горбашова 1, М. О. Жулидова 1, В. А. Конышев 1, А. В. Леонов 1, О. Е. Наний 1, 2, Д. Д. Старых 1, Р. Р. Убайдуллаев 1, И. И. Шихалиев 1
Компании «Т8», Москва, Россия
МГУ им. М. В. Ломоносова, Москва, Россия
Рассмотрены история развития, достижения и современные тенденции совершенствования технологических решений по увеличению скорости передачи, энергетической и экономической эффективности работы отечественных волоконно-оптических сетей связи.
Ключевые слова: DWDM, волоконно-оптическая сеть связи, когерентный прием, спектральная эффективность, формат модуляции, символьная скорость, формирование спектра, управление спектром, FlexGrid, эффект Фарадея, запас по OSNR, требуемый OSNR, BER, коэффициент ошибок, EDFA, ROPA, неравномерность, сверхдлинные линии, дата-центры
Статья получена: 20.05.2022
Статья принята: 04.06.2022
1. Развитие DWDM-систем связи
Технология спектрального мультиплексирования (WDM, wavelength division multiplexing) позволяет многократно увеличить суммарный поток передаваемой по одному волокну информации за счет использования нескольких несущих. Суть спектрального уплотнения заключается в одновременной передаче по одному волокну нескольких независимых сигналов на разных оптических длинах волн. На каждой длине волны организуется отдельный оптический канал передачи информации со своим передатчиком и приемником [1]. Количество каналов может составлять от двух (в самых простых системах) до сотни и более (при использовании расширенного спектрального диапазона).
Изначально в волоконно-оптических системах связи для кодирования информации использовалась амплитудная модуляция лазерного излучения (on-off keying, OOK), а для приема – прямое детектирование (DD, direct detection). Канальная скорость в коммерческих системах с прямой модуляцией достигла 10 Гбит / с (STM‑64) в 1995 году и 40 Гбит / с (STM‑256) в 2002 году. Однако на этом развитие систем с прямой модуляцией остановилось, поскольку ширина полосы амплитудно-модулированного сигнала приблизилась к ширине доступной спектральной полосы в частотной сетке ITU-T.
Переломным моментом в развитии систем волоконно-оптической связи стало изобретение в 2000‑х годах систем с когерентным приемом и цифровой обработкой принятого сигнала. Суть когерентного приема состоит в том, что принятый из линии сигнал смешивается с излучением опорного лазера на близкой частоте. Разностный сигнал оцифровывается с помощью высокоскоростного аналого-цифрового преобразователя (АЦП), после чего анализируется и обрабатывается на специализированном когерентном цифровом сигнальном процессоре (Coherent DSP). Это позволяет детектировать одновременно амплитуду и фазу сигнала для каждой из поляризаций.
Переход к когерентному приему открыл возможность применения многоуровневых амплитудно-фазовых форматов модуляции и соответствующего повышения спектральной эффективности.
Спектральная эффективность (SE, spectral efficiency) – число бит, которые могут быть переданы с использованием данного формата модуляции за одну секунду в спектральной полосе один герц, размерность бит / с / Гц. Обычно при сравнении различных систем связи учитывается скорость передачи полезной информации (без FEC). Спектральную эффективность можно рассчитывать как для отдельного канала, так и для системы в целом. В современных системах, где спектральные каналы расположены вплотную друг к другу, спектральная эффективность системы и спектральная эффективность отдельного канала совпадают. Например, если DWDM-система емкостью 8 Тбит / с занимает спектральную полосу 4 ТГц (80 каналов по 50 ГГц), то ее спектральная эффективность вычисляется как 8 Тбит/с / 4 ТГц =
= 2 бит / с / Гц. Аналогично можно рассчитать спектральную эффективность для отдельного канала: SE = 100 Гбит / с / 50 ГГц = 2 бит / с / Гц.
Для повышения спектральной эффективности необходимо повысить скорость передачи данных при той же занимаемой спектральной полосе. Для этого используются многоуровневые форматы модуляции. Однако, при этом неизбежной платой за повышение скорости является снижение качества передаваемого сигнала и, как следствие, снижение дальности передачи (рис. 1).
На протяжении второй декады XXI века когерентные системы прошли несколько этапов своего развития, начиная с первых систем со скоростью передачи 40 Гбит / с по одной длине волны (символьная скорость 20 Гбод, формат модуляции DP-BPSK) и до наиболее современных систем со скоростью передачи 600 Гбит / с по одной длине волны (символьная скорость 56 Гбод, формат модуляции DP‑64QAM), рис. 2. Таким образом, скорость передачи данных по одной несущей увеличилась в 15 раз [2].
В то же время усложнение формата модуляции неизбежно ведет к падению дальности. Чем больше дискретных состояний оптического сигнала используется, тем выше символьная эффективность кодирования, но при этом ниже качество сигнала и дальность передачи (см. рис. 3).
Дальность передачи L не менее важна для операторов связи, чем скорость передачи по одной длине волны. Под дальностью в магистральных системах подразумевается дальность передачи в многопролетной линии на каскаде усилителей без регенерации сигнала. Чем больше эта дальность, тем реже на магистральной линии нужно ставить приемопередающее оборудование, следовательно, ниже и стоимость решения.
Современные когерентные системы поддерживают возможность выбора формата модуляции, благодаря чему оператор может настроить оптимальный для своих задач баланс между дальностью и скоростью передачи данных.
Далее можно определить основной показатель волоконно-оптической линии связи, задача которой состоит в том, чтобы передать по оптоволокну максимальный поток данных на максимальное расстояние с минимальным использованием спектрального диапазона. Таким образом, для сравнения систем связи удобно использовать параметр удельной производительности – произведение спектральной эффективности на дальность передачи (SE ∙ L) [3].
Спектральная эффективность SE оборудования связи обычно известна или легко вычисляется. Основную сложность при сравнении удельной производительности различных используемых и перспективных технологий представляет вычисление дальности передачи L, которую может обеспечить та или иная система связи. Максимальная удельная производительность достигается в системах 100 Гбит / с с модуляцией DP-QPSK [4–6].
Увеличение канальной скорости передачи достигается не только за счет использования многоуровневых форматов. Продолжает расти символьная скорость передачи, поддерживаемая электронной компонентной базой. В 2020 году ведущие мировые производители анонсировали активное освоение на уровне компонентной базы символьных скоростей в диапазоне 64–100 Гбод, что позволяет передавать потоки данных до 800 Гбит / с по одной длине волны.
Продолжается миниатюризация оптических компонентов и комплектующих, в том числе за счет активного использования интегральной фотоники.
Активно развивается рынок оптоволоконных систем агрегации / доступа для нового поколения беспроводных сетей (5G). Беспроводные сети нового поколения потребуют значительно более плотного расположения базовых станций, чем в сетях 4G (количество базовых станций, по оценкам, должно возрасти в сотни раз), более высокой скорости оптоволоконной линии связи к каждой базовой станции (10 Гбит / с и выше), существенно меньших задержек сигнала (например для задач управления беспилотным транспортом в системах типа «умный город»). Все это формирует специфические требования к оборудованию DWDM / OTN, которое планируется использовать на уровне транспортной сети систем 5G.
DWDM активно проникает на новые рынки, прежде всего на рынок систем связи для центров обработки данных (ЦОД или DCI). В отличие от сферы телекоммуникаций, где DWDM-системы традиционно применяются в основном для магистральной передачи данных на большие расстояния, на рынке ЦОД технология DWDM применяется для высокоскоростной передачи на небольшие расстояния (рис. 4). Это предъявляет к оборудованию новые требования, которых не было в телекоме, и ведет к появлению нового класса решений. Решения для ЦОД отличаются высокой плотностью портов, высокой скоростью передачи данных в расчете на один слот / юнит, высокой компактностью, в том числе наличием широкого спектра компактных гибридных блоков, которые позволяют сэкономить стоечное пространство [7].
В России ведущим производителем волоконно-оптических систем связи на основе технологии спектрального уплотнения (DWDM) в настоящее время является компания «Т8». В компании работает более 350 человек, в том числе четыре доктора наук и более двадцати кандидатов наук. Ядро коллектива компании составляют выпускники ведущих ВУЗов – МФТИ, МГУ, МГТУ им. Баумана, МИФИ, МТУСИ, СПбГУТ и др.
Разработка скоростных DWDM-систем ведется компанией с 2008 года. В 2012 году компания «Т8» продемонстрировала когерентный транспондер 100 Гбит / с собственной разработки, войдя в пятерку компаний в мире, обладающих на тот момент данной технологией. В 2018 году компанией представлено коммерческое оборудование 200 Гбит / с. К 2020 году разработана и запущена в серийное производство линейка DWDM-устройств с поддержкой канальных скоростей 2,5; 10; 40; 100 Гбит / с; 200 Гбит / с (по одной оптической несущей), начата разработка устройств 600 Гбит / с (по двум длинам волн в частотной сетке 100 ГГц) и 800 Гбит / с (по одной длине волны). Характеристики созданных компанией «Т8» DWDM-систем соответствуют мировому уровню коммерческих магистральных DWDM-систем.
2. Платформа «Волга»
Компания «Т8» разработала и выпускает полноценную мультисервисную DWDM-платформу «Волга», которой присвоен статус телекоммуникационного оборудования российского происхождения (ТОРП) и которая занесена в Единый реестр российской радиоэлектронной продукции. В рамках этой платформы создана полная линейка оборудования для волоконно-оптических систем связи на базе технологии спектрального уплотнения (DWDM). В состав оборудования входят блоки транспондеров и агрегирующих транспондеров (агрегаторов) с разными скоростями передачи и различными комбинациями клиентских и линейных интерфейсов, блоки оборудования оптического тракта (усилители, мультиплексоры и другие), шасси и блоки управления, вспомогательные блоки, а также системы сетевого управления и мониторинга класса EMS / NMS (рис. 5).
Кроме оборудования для стандартных телекоммуникационных применений выпускаются системы для инфраструктуры связи центров обработки данных – DCI, а также развивается линейка оборудования, адаптированная для применения на сетях 5G.
Семейство мультисервисной платформы «Волга» для построения высокоскоростных DWDM-сетей поддерживает канальную скорость до 800 Гбит / с, до 28 Тбит / с в одной паре волокон. Система обеспечивает пропускную способность до 28 Тбит / с в С-диапазоне по паре волокон. Передача данных в каждом спектральном канале производится на скоростях 800, 600, 400, 200, 100, 40, 10 Гбит / с и менее. Реконфигурация сети и ее расширение могут производиться без перерыва трафика. Высокое качество сигнала на транспондерах позволяет вводить каналы на существующих линиях, построенных ранее для организации низкоскоростных каналов.
Шасси позволяет оперативно увеличивать емкость сети путем добавления в свободные слоты требуемых блоков. Линейка шасси платформы включает размеры от 1U до 10U. Выпускаются шасси с резервированием системы управления и блоков питания (БП) двух типов: DC 36–72 В или AC 220 В. Шасси устанавливается в стандартные стойки «19 / 21».
3. Высокоскоростные когерентные DWDM-системы дальней связи
К основным физическим параметрам DWDM-систем относятся: емкость, спектральная эффективность, производительность и удельная производительность, а также требуемое оптическое отношение сигнал-шум (OSNR) транспондера в конфигурации «back-to-back».
Емкость (C, capacity) – это произведение числа каналов на максимальную поддерживаемую скорость в канале. Например, емкость DWDM-системы, которая способна передать 80 каналов по 100 Гбит / с в каждом, равна 8 Тбит / с.
Повышать емкость DWDM-системы можно как за счет повышения скорости в единичном канале, так и за счет увеличения количества каналов в системе.
Производительность системы связи – это произведение емкости C на максимальную дальность передачи L и измеряется в бит ∙ км / с:
PE = C · L. (1)
Используя определение спектральной эффективности как отношение скорости передачи данных к используемому спектральному диапазону Δν, выражение (1) можно записать в виде:
PE = SE · Δν · L. (2)
Предельная дальность многопролетной линии связи зависит от многих характеристик: длин пролетов, затухания в волокне, шум-фактора усилителей, коэффициента нелинейности (выражающего влияние нелинейных эффектов на распространение сигнала), входных мощностей в каждый пролет, количества и типа передаваемых каналов, используемого частотного плана и защитных интервалов, требуемого эксплуатационного запаса по OSNR, пороговой чувствительности транспондера OSNR_T. Значения входных мощностей в линии могут выбираться по-разному в зависимости от используемого метода оптимизации линии (минимизация BER, максимизация запаса по OSNR и др.). Методы оптимизации для систем с когерентным приемом сигнала отличаются от методов, принятых в системах с некогерентным приемом. Для сравнения разных технологий необходимо все экспериментальные или расчетные дальности пересчитать к единому набору входных параметров (характеристик линии).
На рис. 6 показаны три способа увеличения регенерационной длины, а на рис. 7 – три способа увеличения полной скорости передачи по паре волокон.
Увеличение скорости передачи информации в оптических сетях связи за счет применения многоуровневых форматов снижает дальность безрегенерационной передачи и производительность систем связи. Возникает вопрос: а как скажется на дальности передачи информации и производительности увеличение канальной скорости передачи информации за счет увеличения символьной скорости? Сравним низкоскоростную (узкополосную с канальной полосой 35 ГГц) и высокоскоростную (широкополосную с канальной полосой 70 ГГц) канальные конфигурации (см. рис. 8). Пусть в обоих случаях полные мощности на входе в пролет будут равны. Поскольку в широкополосной конфигурации в 2 раза меньше каналов, следовательно, канальная мощность широкополосных каналов должна быть в 2 раза выше. Как известно, спектральная плотность мощности шумов ASE в первую очередь определяется полной мощностью, приходящей на EDFA. Следовательно, в первом приближении спектральная плотность мощности шумов ASE останется в обоих случаях одинаковой.
Аналогичное утверждение можно сделать и о спектральной плотности мощности нелинейных шумов. Данное утверждение следует из референсной формулы модели нелинейного аддитивного гауссова шума. Следовательно, полная спектральная плотность шумов на выходе линии останется постоянной.
Таким образом, спектральные плотности мощности сигнала и шумов останутся одинаковыми в обоих случаях, а значит и спектральное отношение сигнал-шум (SNR) будет одинаковым. При этом, исходя из определения OSNR, следует, что для широкополосных каналов (70 ГГц) полное OSNR на выходе линии будет в 2 раза выше, чем для узкополосных (35 ГГц).
Как известно, BER взаимно однозначно функционально связан именно с величиной SNR. Конкретный вид функциональной зависимости определяется форматом модуляции (см. таблицу 1). Поскольку нелинейные шумы также определяются величиной SNR, а не величиной OSNR, то при оптимальной канальной мощности качество сигнала будет одинаковым при использовании оптимальной канальной мощности (см. рис. 9).
Иными словами, хотя при увеличении символьной скорости в 2 раза возрастают в 2 раза оптимальная канальная мощность (и оптимальная величина OSNR) максимальная дальность передачи не изменяется.
Полученный результат только на первый взгляд кажется парадоксальным, но он легко объясняется, если рассмотреть связь SNR и OSNR, которая с хорошей точностью описывается приближенной формулой, приведенной ниже (для формата QPSK, 1 поляризация):
. (3)
Из этой формулы явно следует, что при фиксированном оптимальном значении SNR увеличение символьной скорости Rs, равной удвоенной электрической полосе (RS = 2 · BWe, Bref = 12,5 ГГц), оптимальное значение OSNR пропорционально символьной скорости RS и также увеличивается, но достижимые качество сигнала и дальность от символьной скорости не зависят (см. рис. 9 и 10).
На практике необходимо к теоретическим значениям требуемого SNR добавить штрафы, связанные с техническими ограничениями конкретной реализации аппаратуры.
В компании «Т8» переход от первого поколения оборудования с полной скоростью 1,2 Тбит / с (80 × 200G) к оборудованию (40 × 400G) не только не привел к снижению максимальной дальности передачи, но и увеличил дальность на 15–65%. При этом главное преимущество нового поколения систем связи с увеличенной канальной скоростью заключается в снижении стоимости передаваемой информации.
4. Некоторые примеры использования результатов научных исследований при разработке, проектировании и совершенствовании оборудования связи
4.1. Нелинейный режим работы когерентных систем связи
Использование новых для индустрии форматов модуляции привело к необходимости разработки новых методов оптимизации волоконно-оптических линий связи (ВОЛС) на их основе. Эта задача была успешно выполнена компанией «Т8»: создана новая методика настройки параметров каналообразующего оборудования (линейных карт) и математический аппарат, использующий эти параметры для проектирования ВОЛС; разработана методика расчета характеристик когерентных волоконно-оптических сетей связи с учетом множества физических эффектов, одновременно воздействующих на распространение сигнала. Предложеные алгоритмы и простые в использовании «инженерные» методики, позволяющие прогнозировать производительность сетей, существенно упрощают проектирование. Результаты исследований опубликованы в статьях [8–13].
4.2. Преодоление прерывания связи при ударах молний в ОКГТ
Использование оптических кабелей в грозотросе (ОКГТ) является экономически эффективным техническим решением, поскольку позволяет реализовать одновременно и функции грозотроса, защищающего линии электропередач от ударов молний, и функции телекоммуникационного оптического кабеля, применяющегося для передачи данных по оптическим волокнам.
Однако прямой удар молнии в ОКГТ, как оказалось, может вызывать кратковременные прерывания связи при использовании современных когерентных высокоскоростных систем передачи информации. Проведенные исследования и численное моделирование позволили установить физический механизм этого явления: удар молнии формирует в волокне сильное продольное магнитное поле, изменение которого, в свою очередь, приводит к вращению состояния поляризации оптического сигнала из-за эффекта Фарадея и к появлению ошибок на приемной стороне [14–17]. Наиболее чувствительными к ударам молнии оказались современные высокоскоростные когерентные системы передачи с многоуровневыми форматами модуляции и поляризационным мультиплексированием.
При ударе молнии скорость вращения состояния поляризации сигнала в волокне может достичь величины 10 Мрад / c (обычно 1–5Мрад / с).
В обычных когерентных транспондерах это приводит к прерыванию связи. Установление причины прерывания связи позволило компании «Т8» создать когерентные транспондеры 100 / 200 / 400G, оснащенные функцией SOP-suppression, способные противостоять таким сильным возмущениям сигнала, вызываемым ударами молний (см. рис. 11).
Как видно из рисунка, использование алгоритма отслеживания состояния поляризации позволяет существенно улучшить устойчивость работы транспондера в условиях ударов молнии.
Кроме того, по результатам исследований влияния ударов молнии на поляризацию света разработан и запущен в производство прибор для определения местоположения и мощности молнии.
4.3. Использование статистических закономерностей в спектрах усилителей для оптимизации линий связи
При распространении многоканального сигнала по оптической линии связи форма его спектра искажается. Неровности в спектре приводят к возникновению дополнительного штрафа по OSNR. Неравномерность спектра усиления EDFA является одним из эффектов, оказывающих существенное влияние на форму спектра сигнала. В научном отделе компании «Т8» изучены статистические свойства распределения значений накопленной неравномерности спектра (Flatness) в многопролетной линии связи с EDFA в зависимости от числа пролетов. На основе полученных распределений получены приближенные аналитические выражения, позволяющие оценивать неравномерность сигнала в многопролетных ВОЛС и делать консервативную оценку неравномерности спектра DWDM сигнала (95% последовательностей EDFA будут иметь неравномерность лучше оценочной) (рис. 12). Согласно полученным результатам с вероятностью 95% один усилитель производства компании «Т8» увеличивает неравномерность спектра на величину не более 0,72 дБ. Исключение составляет случай, когда в линии требуется использование значительного числа (>40%) усилителей с большим значением коэффициента усиления (~35 дБ). При такой конфигурации линии связи с вероятностью 95% один усилитель увеличит неравномерность спектра на величину не более 0,95 дБ.
Найденные закономерности позволяют за счет уменьшения количества пунктов выравнивания спектра сигнала уменьшить стоимость линии.
4.4. Сверхдлинные линии
Построение сетей связи с длинными пролетами требует дополнительных исследований.
В частности, в компании «Т8» теоретически и экспериментально исследованы механизмы деградации сигнала в сверхдлинных однопролетных линиях связи с распределенными рамановскими усилителями с канальной скоростью 100 Гбит / с и когерентным детектированием, ограничивающие предельную длину однопролетных линий [18].
Описаны варианты построения и реализованы модели расчета однопролетных линий связи большой протяженности (рис. 13) [19]. Предложены методы оптимизации при проектировании сверхдлинных линий связи. Показано хорошее совпадение результатов проектирования линии с результатами экспериментальных исследований.
Важными элементами сверхдлинных однопролетных линий связи являются распределенные рамановские и удаленные эрбиевые усилители. В компании «Т8» проведена разработка моделей таких усилителей на основе скоростных уравнений. Для хорошей точности данных моделей по известным методикам проведены измерения параметров телекоммуникационных и активных эрбиевых волокон, таких как: коэффициенты вынужденного комбинационного рассеяния, коэффициенты затухания, сечения поглощения и люминесценции, коэффициент кооперативной ап-конверсии и др. [20]. Создана база данных параметров различных типов телекоммуникационных и активных волокон, позволяющая проектировать сверхдлинные линии на основе любых компонентов.
Для оценки точности разработанных моделей проведены экспериментальные исследования интегральных характеристик усилителей, влияния попутной и встречной рамановских накачек, а также удаленных эрбиевых усилителей на параметры одноканальных и многоканальных однопролетных линий связи. Результаты экспериментальных и расчетных исследований совпадают с хорошей точностью.
По результатам экспериментальных исследований рамановских и удаленных эрбиевых усилителей установлено, что:
Увеличение температуры окружающей среды приводит к уменьшению эффективности использования удаленных эрбиевых усилителей: коэффициент усиления уменьшается, а шум-фактор увеличивается;
Активные волокна для EDFA и ROPA имеют различные характеристики, специализированные для работы каждого усилителя;
Волокно для ROPA должно иметь большое значение эффективности накачки для работы с малой мощностью накачки (рис. 14);
Эффективность накачки эрбиевого усилителя можно увеличить, уменьшив диаметр модового поля.
Реализованные численные модели рамановских и удаленных эрбиевых усилителей применяются при разработке усилителей, в частности широкополосных рамановских усилителей для C-band, гибридных усилителей [21], активных и пассивных блоков ROPA.
Проведенные в научном отделе компании «Т8» исследования позволили создать линейку оборудования для однопролетных систем связи и методику оптимизации таких линий, с использованием которых было установлено несколько мировых рекордов дальности и производительности:
10 × 100 Гбит / с (DP-QPSK, SoftFEC) на расстояние 500 км с применением двух дополнительных волокон доставки накачки, с использованием волокна G.652B (Corning ULL) и G.654B (Corning Vascade EX2000) с полным затуханием 79 дБ [22].
1 × 200 Гбит / с (5 bit per symbol modulation format, 56.8 GBaud) на расстояние 520 км с применением дополнительных волокон с использованием волокна G.652B и G.654.E с полным затуханием 84,5 дБ [23].
2 × 100 Гбит / с (DP-QPSK, SoftFEC) на расстояние 501 км без применения дополнительных волокон с использованием волокна G.652B (Corning ULL) с полным затуханием 80,1 дБ [24].
На выставке «Связь‑2017» (25–28 апреля 2017 года) продемонстрирована передача 1 × 100 Гбит / с (DP-QPSK, SoftFEC) на расстояние 410 км на основе стандартного волокна G652.D (Corning SMF‑28) с полным затуханием 77 дБ.
5. Перспективы и направления развития DWDM-систем связи в России
В ближайшем будущем развитие магистральных ВОЛС будет происходить в направлении увеличения пропускной способности сетей. Там, где на федеральных магистралях уже всеми главными потребителями DWDM-оборудования («Ростелеком», «Большая тройка» и ТТК) установлено когерентное оборудование, будет постепенно увеличиваться число 100G- и 200G- каналов, на региональных магистралях будет происходить переход с 10G-каналов на 100G-каналы, а в региональных сетях агрегации трафика будет расти число 10G-каналов, а число 1G- и 2,5G‑каналов будет стремительно уменьшаться. Можно ожидать нового всплеска массивной модернизации DWDM-сетей, который будет связан с подготовкой к введению в эксплуатацию сетей 5G. В этих условиях оборудование терабитного класса (с поддержкой скоростей передачи до 600 / 800 Гбит / с на одну длину волны, до 1,2 Тбит / с на один блок) окажется очень востребованным для телекоммуникационных систем связи и для сетей связи между дата-центрами и внутри них, поскольку такое оборудование обеспечивает самую низкую стоимость трафика в расчете на гигабит в секунду.
Чтобы увеличить суммарную скорость системы вдвое, нужно будет создать скоростные транспондеры и мукспондеры до 800G (1,2T), оптические усилители и мультиплексоры для работы в С++ диапазоне и линейку дополнительных блоков.
Основные задачи, которые будут решать российские производители:
Расширение номенклатуры и функциональности пассивных DWDM-устройств, прежде всего мультиплексоров / демультиплексоров и OADM;
Сокращение энергоемкости оборудования;
Внедрение технологии Flex Grid (гибкий частотный план), которая уже сейчас является важным конкурентным преимуществом ряда зарубежных производителей;
Разработка и внедрение средств защиты DWDM-каналов, обеспечивающих бесперебойную работу протокола FC;
Совершенствование системы сетевого управления (NMS) с целью облегчения ее стыковки с NMS других основных поставщиков DWDM-оборудования [13].
Переход к следующему поколению когерентных систем связи предъявляет новые требования к оптическим компонентам для обеспечения высокой производительности и уменьшения занимаемой площади.
В ближайшее время ключевой тенденцией в разработке когерентных оптических систем связи станет все более плотная компоновка электрических и оптических компонентов и необходимость в более высоких уровнях интеграции в электрических и фотонных схемах.
Для соответствия новым требованиям фотонные компоненты должны обеспечивать высокую символьную скорость (> 400 G), линейность для поддержки форматов модуляции высокого порядка, низкое энергопотребление и высокую плотность интеграции.
Сегодня практически вся компонентная база высокоскоростных когерентных систем связи российского производства изготавливается за границей. Создание российской компонентной базы интегральной фотоники является критически важной задачей.
К числу ключевых оптических блоков, создание отечественного производства которых является первоочередной задачей, относятся следующие:
Когерентные оптические модули и компоненты;
Оптические трансиверы;
EDFA / RAMAN и другие оптические компоненты;
Пассивные оптические компоненты.
REFERENCES
Listvin V. N., Treshchikov V. N. DWDM systems / 3‑th publ. – M.: Technosphera. 2017. 300 p. ISBN 978-5-94836-488-9.
Листвин В. Н., Трещиков В. Н. DWDM системы. – М.: Техносфера. 2017. 300 с. издание. ISBN 978-5-94836-488-9.
Leonov A. V., Treshchikov V. N., Ubajdullaev R. R. Tendencii razvitiya kogerentnyh sistem svyazi v 2010–2025 gg. Foton-ekspress. 2019; 8(160):4–7.
Леонов А. В., Трещиков В. Н., Убайдуллаев Р. Р. Тенденции развития когерентных систем связи в 2010–2025 гг. Фотон-экспресс. 2019; 8(160):4–7.
Konyshev V., Leonov A., Nanii O., Treshikov V., Ubaydullaev R. System’s 100G Record Through-Put as a Mark of proceeding to fiber optical transmission systems evoluti. Last Mile. 2015; 6: 40–43.
Konyshev V. A., Leonov A. V., Nanii O. E., Slepcov M. A., Treshchikov V. N., Ubajdullaev R. R. Opticheskaya revolyuciya v sistemah svyazi i ee social’no-ekonomicheskie posledstviya. Prikladnaya fotonika. (In Russ.). 2016; 3(1): 15–27.
Конышев В. А., Леонов А. В., Наний О. Е., Слепцов М. А., Трещиков В. Н., Убайдуллаев Р. Р. Оптическая революция в системах связи и ее социально-экономические последствия. Прикладная фотоника. 2016; 3(1): 15–27.
Leonov A. V., Konyshev V. A. From the revolution to the evolution: the change in the character of development of fiber optic communications technology. International Workshop Engineering Technologies and Computer Science. 2017;34–36.
Leonov A., Nanii O., Slepcov M., Treshchikov V. Tendencii razvitiya opticheskih sistem dal’nej svyazi. Prikladnaya fotonika. (In Russ.). 2016;3(2):123–145.
Леонов А., Наний О., Слепцов М., Трещиков В. Тенденции развития оптических систем дальней связи. Прикладная фотоника. 2016;3(2):123–145.
Maniloff E., Gareau S., Moyer M. 400G and Beyond: Coherent Evolution to High-Capacity Inter Data Center Links. OFC. 2019, M3H.4.
Konyshev V., Leonov A., Nanii O., Novikov A., Treshchikov V., Ubajdullaev R. Design principles for modern fiber-optic communication lines. Quantum Electronics. 2019;49(12):1149–1153.
Zhitelev A., Konyshev V., Lukinykh S., Nanii O., Treshchikov V., Ubajdullaev R. Nonlinear distortions as nonlinear noise in coherent fibre-optic communication lines. Quantum Electronics. 2017;47(12):1135–1139.
Konyshev V., Nanii O., Novikov A., Treshchikov V., Ubajdullaev R. Correlation of nonlinear noises from different spans in 100 Gb / s multi-span fiber optic lines. Optics Communications. 2016;381:352–359.
Konyshev V., Nanii O., Treshchikov V., Ubajdullaev R. New method to obtain optimum performance for 100 Gb / s multi-span fiber optic lines. Optics Communications. 2015;355:279–284.
Konyshev V., Leonov A., Nanii O., Novikov A., Treshchikov V., Ubajdullaev R. Accumulation of nonlinear noise in coherent communication lines without dispersion compensation. Optics Communications. 2015;349:19–23.
Konyshev V., Leonov A., Nanii O., Novikov A., Treshchikov V., Ubajdullaev R. Design of high-bit-rate coherent communication links. Quantum Electronics. 2016;46(12):1121–1128.
Akopov S., Konyshev V., Nanii O., Treschikov V., Ubaydullaev R., Frolov I. Influence of Lightings on Operation of Coherent FOCL. Last Mile (In Russ.). 2021; 4: 24–30.
Konyshev V., Lukashova T., Nanii O., Novikov A., Treshchikov V., Ubajdullaev R. Retarded field model for fast polarization rotations caused by lightning events. Laser Physics Letters. 2021;18(11):115101.
Konyshev V., Lukinykh T., Nanii O., Novikov A., Treshchikov V., Ubaidullaev R. Effect of a magnetic field on polarization of light in an optical fibre with a random distribution of linear birefringence. Quantum Electronics. 2019; 49(8):773–776.
Gorbatov D., Konyshev V., Lukinykh T., Nanii O., Novikov A., Treshchikov V., Ubajdullaev R. Effect of anisotropy of a single-mode fibre on lightning-induced rotation of polarisation of a light signal in an optical ground wire. Quantum Electronics. 2022; 52(1):87–93.
Starykh D., Shikhaliev I., Konyshev V., Nanii O., Treshchikov V., Ubaydullaev R., Kharasov D. Experimental investigation of nonlinear operation mode of a DP-QPSK 100G link with co-propagating-pump Raman amplification. Quantum Electronics. 2018;48(8):767–772.
Старых Д., Шихалиев И., Конышев В., Наний О., Трещиков В., Убайдуллаев Р., Харасов Д. Экспериментальное исследование нелинейного режима работы DP-QPSK 100G линии связи, содержащей распределенный рамановский усилитель с попутной накачкой. Quantum Electronics (In Russ.). 2018;48(8):767–772.
Gainov V., Konyshev V., Leonov A., Lukinykh S., Nanii O., Novikov A., Shikhaliev I., Treshchikov V., Ubaydullaev R. Odnoproletnye opticheskie linii svyazi bol’shoj protyazhennosti. Prikladnaya fotonika. (In Russ.). 2015; 2(1): 5–22.
Гайнов В., Конышев В., Леонов А., Лукиных С., Наний О., Новиков А., Шихалиев И., Трещиков В., Убайдуллаев Р. Однопролетные оптические линии связи большой протяженности. Прикладная фотоника. 2015; 2(1): 5–22.
Zhulidova M., Nanii O., Treshchikov V., Tsibinogina M., Shevtsov D., Shikhaliev I. Erbium Amplifiers With Remote Pumping On Domestic Active Fiber. Last Mile. (In Russ.). 2020; 88(3):54–59.
Shikhaliyev I., Lukinykh S., Nanii O., Treshchikov V., Starykh D., Konyshev V., Ubaydulayev R. Broadband hybrid optical amplifier: how to improve existing FOCLs. Last Mile (In Russ.). 2018;2: 68–72.
Gainov V., Gurkin N., Lukinih S., Makovejs S., Akopov S., Ten S., Nanii O., Treshchikov V., Sleptsov M. Record 500 km unrepeatered 1 Tbit / s (10×100G) transmission over an ultra-low loss fiber. Optics Express. 2014; 22(19):22308.
Starykh D., Akopov S., Kharasov D., Konyshev V., Makovejs S., Nanii O., Shikhaliev I., Treshchikov V. 200 Gb / s per Channel Unrepeatered Transmission Over 520 km Terrestrial Fibers. Photonics Technology Letters. 2019;31(22):1799–1802.
Gainov V., Gurkin N., Lukinih S., Shikhaliev I., Skvortsov P., Makovejs S., Akopov S., Ten S., Nanii O., Treshchikov V. 500 km unrepeatered 200 Gbit∙s‑1 transmission over a G.652‑compliant ultra-low loss fiber only. Laser Physics Letters. 2015;12(6):066201(1)-066201(6).
АВТОРЫ
В. Н. Трещиков, к. ф.‑ м. н., генеральный директор компании «Т8».
ORCID: 0000-0002-6665-8564
М. А. Горбашова, инженер компании «Т8».
ORCID: 0000-0002-5084-3845
М. О. Жулидова, инженер компании «Т8».
ORCID: 0000-0002-7013-1538
В. А. Конышев, к. ф.‑ м. н., руководитель научной группы компании «Т8».
ORCID: 0000-0001-8482-2922
А. В. Леонов, д. т. н., заместитель генерального директора по техническому развитию компании «Т8».
ORCID: 0000-0003-1938-9864
О. Е. Наний, д. ф.‑ м. н., профессор МГУ, начальник научно-исследовательского отдела компании «Т8».
ORCID: 0000-0003-4269-1332
Д. Д. Старых, заместитель начальника научно-исследовательского отдела компании «Т8».
ORCID: 0000-0002-6533-8462
Р. Р. Убайдуллаев, инженер компании «Т8».
ORCID: 0000-0003-3210-2290
И. И. Шихалиев, к. т. н., руководитель группы компании «Т8», shikhaliev@t8.ru.
ORCID: 0000-0003-0351-5408
DWDM-систем связи
В. Н. Трещиков 1, М. А. Горбашова 1, М. О. Жулидова 1, В. А. Конышев 1, А. В. Леонов 1, О. Е. Наний 1, 2, Д. Д. Старых 1, Р. Р. Убайдуллаев 1, И. И. Шихалиев 1
Компании «Т8», Москва, Россия
МГУ им. М. В. Ломоносова, Москва, Россия
Рассмотрены история развития, достижения и современные тенденции совершенствования технологических решений по увеличению скорости передачи, энергетической и экономической эффективности работы отечественных волоконно-оптических сетей связи.
Ключевые слова: DWDM, волоконно-оптическая сеть связи, когерентный прием, спектральная эффективность, формат модуляции, символьная скорость, формирование спектра, управление спектром, FlexGrid, эффект Фарадея, запас по OSNR, требуемый OSNR, BER, коэффициент ошибок, EDFA, ROPA, неравномерность, сверхдлинные линии, дата-центры
Статья получена: 20.05.2022
Статья принята: 04.06.2022
1. Развитие DWDM-систем связи
Технология спектрального мультиплексирования (WDM, wavelength division multiplexing) позволяет многократно увеличить суммарный поток передаваемой по одному волокну информации за счет использования нескольких несущих. Суть спектрального уплотнения заключается в одновременной передаче по одному волокну нескольких независимых сигналов на разных оптических длинах волн. На каждой длине волны организуется отдельный оптический канал передачи информации со своим передатчиком и приемником [1]. Количество каналов может составлять от двух (в самых простых системах) до сотни и более (при использовании расширенного спектрального диапазона).
Изначально в волоконно-оптических системах связи для кодирования информации использовалась амплитудная модуляция лазерного излучения (on-off keying, OOK), а для приема – прямое детектирование (DD, direct detection). Канальная скорость в коммерческих системах с прямой модуляцией достигла 10 Гбит / с (STM‑64) в 1995 году и 40 Гбит / с (STM‑256) в 2002 году. Однако на этом развитие систем с прямой модуляцией остановилось, поскольку ширина полосы амплитудно-модулированного сигнала приблизилась к ширине доступной спектральной полосы в частотной сетке ITU-T.
Переломным моментом в развитии систем волоконно-оптической связи стало изобретение в 2000‑х годах систем с когерентным приемом и цифровой обработкой принятого сигнала. Суть когерентного приема состоит в том, что принятый из линии сигнал смешивается с излучением опорного лазера на близкой частоте. Разностный сигнал оцифровывается с помощью высокоскоростного аналого-цифрового преобразователя (АЦП), после чего анализируется и обрабатывается на специализированном когерентном цифровом сигнальном процессоре (Coherent DSP). Это позволяет детектировать одновременно амплитуду и фазу сигнала для каждой из поляризаций.
Переход к когерентному приему открыл возможность применения многоуровневых амплитудно-фазовых форматов модуляции и соответствующего повышения спектральной эффективности.
Спектральная эффективность (SE, spectral efficiency) – число бит, которые могут быть переданы с использованием данного формата модуляции за одну секунду в спектральной полосе один герц, размерность бит / с / Гц. Обычно при сравнении различных систем связи учитывается скорость передачи полезной информации (без FEC). Спектральную эффективность можно рассчитывать как для отдельного канала, так и для системы в целом. В современных системах, где спектральные каналы расположены вплотную друг к другу, спектральная эффективность системы и спектральная эффективность отдельного канала совпадают. Например, если DWDM-система емкостью 8 Тбит / с занимает спектральную полосу 4 ТГц (80 каналов по 50 ГГц), то ее спектральная эффективность вычисляется как 8 Тбит/с / 4 ТГц =
= 2 бит / с / Гц. Аналогично можно рассчитать спектральную эффективность для отдельного канала: SE = 100 Гбит / с / 50 ГГц = 2 бит / с / Гц.
Для повышения спектральной эффективности необходимо повысить скорость передачи данных при той же занимаемой спектральной полосе. Для этого используются многоуровневые форматы модуляции. Однако, при этом неизбежной платой за повышение скорости является снижение качества передаваемого сигнала и, как следствие, снижение дальности передачи (рис. 1).
На протяжении второй декады XXI века когерентные системы прошли несколько этапов своего развития, начиная с первых систем со скоростью передачи 40 Гбит / с по одной длине волны (символьная скорость 20 Гбод, формат модуляции DP-BPSK) и до наиболее современных систем со скоростью передачи 600 Гбит / с по одной длине волны (символьная скорость 56 Гбод, формат модуляции DP‑64QAM), рис. 2. Таким образом, скорость передачи данных по одной несущей увеличилась в 15 раз [2].
В то же время усложнение формата модуляции неизбежно ведет к падению дальности. Чем больше дискретных состояний оптического сигнала используется, тем выше символьная эффективность кодирования, но при этом ниже качество сигнала и дальность передачи (см. рис. 3).
Дальность передачи L не менее важна для операторов связи, чем скорость передачи по одной длине волны. Под дальностью в магистральных системах подразумевается дальность передачи в многопролетной линии на каскаде усилителей без регенерации сигнала. Чем больше эта дальность, тем реже на магистральной линии нужно ставить приемопередающее оборудование, следовательно, ниже и стоимость решения.
Современные когерентные системы поддерживают возможность выбора формата модуляции, благодаря чему оператор может настроить оптимальный для своих задач баланс между дальностью и скоростью передачи данных.
Далее можно определить основной показатель волоконно-оптической линии связи, задача которой состоит в том, чтобы передать по оптоволокну максимальный поток данных на максимальное расстояние с минимальным использованием спектрального диапазона. Таким образом, для сравнения систем связи удобно использовать параметр удельной производительности – произведение спектральной эффективности на дальность передачи (SE ∙ L) [3].
Спектральная эффективность SE оборудования связи обычно известна или легко вычисляется. Основную сложность при сравнении удельной производительности различных используемых и перспективных технологий представляет вычисление дальности передачи L, которую может обеспечить та или иная система связи. Максимальная удельная производительность достигается в системах 100 Гбит / с с модуляцией DP-QPSK [4–6].
Увеличение канальной скорости передачи достигается не только за счет использования многоуровневых форматов. Продолжает расти символьная скорость передачи, поддерживаемая электронной компонентной базой. В 2020 году ведущие мировые производители анонсировали активное освоение на уровне компонентной базы символьных скоростей в диапазоне 64–100 Гбод, что позволяет передавать потоки данных до 800 Гбит / с по одной длине волны.
Продолжается миниатюризация оптических компонентов и комплектующих, в том числе за счет активного использования интегральной фотоники.
Активно развивается рынок оптоволоконных систем агрегации / доступа для нового поколения беспроводных сетей (5G). Беспроводные сети нового поколения потребуют значительно более плотного расположения базовых станций, чем в сетях 4G (количество базовых станций, по оценкам, должно возрасти в сотни раз), более высокой скорости оптоволоконной линии связи к каждой базовой станции (10 Гбит / с и выше), существенно меньших задержек сигнала (например для задач управления беспилотным транспортом в системах типа «умный город»). Все это формирует специфические требования к оборудованию DWDM / OTN, которое планируется использовать на уровне транспортной сети систем 5G.
DWDM активно проникает на новые рынки, прежде всего на рынок систем связи для центров обработки данных (ЦОД или DCI). В отличие от сферы телекоммуникаций, где DWDM-системы традиционно применяются в основном для магистральной передачи данных на большие расстояния, на рынке ЦОД технология DWDM применяется для высокоскоростной передачи на небольшие расстояния (рис. 4). Это предъявляет к оборудованию новые требования, которых не было в телекоме, и ведет к появлению нового класса решений. Решения для ЦОД отличаются высокой плотностью портов, высокой скоростью передачи данных в расчете на один слот / юнит, высокой компактностью, в том числе наличием широкого спектра компактных гибридных блоков, которые позволяют сэкономить стоечное пространство [7].
В России ведущим производителем волоконно-оптических систем связи на основе технологии спектрального уплотнения (DWDM) в настоящее время является компания «Т8». В компании работает более 350 человек, в том числе четыре доктора наук и более двадцати кандидатов наук. Ядро коллектива компании составляют выпускники ведущих ВУЗов – МФТИ, МГУ, МГТУ им. Баумана, МИФИ, МТУСИ, СПбГУТ и др.
Разработка скоростных DWDM-систем ведется компанией с 2008 года. В 2012 году компания «Т8» продемонстрировала когерентный транспондер 100 Гбит / с собственной разработки, войдя в пятерку компаний в мире, обладающих на тот момент данной технологией. В 2018 году компанией представлено коммерческое оборудование 200 Гбит / с. К 2020 году разработана и запущена в серийное производство линейка DWDM-устройств с поддержкой канальных скоростей 2,5; 10; 40; 100 Гбит / с; 200 Гбит / с (по одной оптической несущей), начата разработка устройств 600 Гбит / с (по двум длинам волн в частотной сетке 100 ГГц) и 800 Гбит / с (по одной длине волны). Характеристики созданных компанией «Т8» DWDM-систем соответствуют мировому уровню коммерческих магистральных DWDM-систем.
2. Платформа «Волга»
Компания «Т8» разработала и выпускает полноценную мультисервисную DWDM-платформу «Волга», которой присвоен статус телекоммуникационного оборудования российского происхождения (ТОРП) и которая занесена в Единый реестр российской радиоэлектронной продукции. В рамках этой платформы создана полная линейка оборудования для волоконно-оптических систем связи на базе технологии спектрального уплотнения (DWDM). В состав оборудования входят блоки транспондеров и агрегирующих транспондеров (агрегаторов) с разными скоростями передачи и различными комбинациями клиентских и линейных интерфейсов, блоки оборудования оптического тракта (усилители, мультиплексоры и другие), шасси и блоки управления, вспомогательные блоки, а также системы сетевого управления и мониторинга класса EMS / NMS (рис. 5).
Кроме оборудования для стандартных телекоммуникационных применений выпускаются системы для инфраструктуры связи центров обработки данных – DCI, а также развивается линейка оборудования, адаптированная для применения на сетях 5G.
Семейство мультисервисной платформы «Волга» для построения высокоскоростных DWDM-сетей поддерживает канальную скорость до 800 Гбит / с, до 28 Тбит / с в одной паре волокон. Система обеспечивает пропускную способность до 28 Тбит / с в С-диапазоне по паре волокон. Передача данных в каждом спектральном канале производится на скоростях 800, 600, 400, 200, 100, 40, 10 Гбит / с и менее. Реконфигурация сети и ее расширение могут производиться без перерыва трафика. Высокое качество сигнала на транспондерах позволяет вводить каналы на существующих линиях, построенных ранее для организации низкоскоростных каналов.
Шасси позволяет оперативно увеличивать емкость сети путем добавления в свободные слоты требуемых блоков. Линейка шасси платформы включает размеры от 1U до 10U. Выпускаются шасси с резервированием системы управления и блоков питания (БП) двух типов: DC 36–72 В или AC 220 В. Шасси устанавливается в стандартные стойки «19 / 21».
3. Высокоскоростные когерентные DWDM-системы дальней связи
К основным физическим параметрам DWDM-систем относятся: емкость, спектральная эффективность, производительность и удельная производительность, а также требуемое оптическое отношение сигнал-шум (OSNR) транспондера в конфигурации «back-to-back».
Емкость (C, capacity) – это произведение числа каналов на максимальную поддерживаемую скорость в канале. Например, емкость DWDM-системы, которая способна передать 80 каналов по 100 Гбит / с в каждом, равна 8 Тбит / с.
Повышать емкость DWDM-системы можно как за счет повышения скорости в единичном канале, так и за счет увеличения количества каналов в системе.
Производительность системы связи – это произведение емкости C на максимальную дальность передачи L и измеряется в бит ∙ км / с:
PE = C · L. (1)
Используя определение спектральной эффективности как отношение скорости передачи данных к используемому спектральному диапазону Δν, выражение (1) можно записать в виде:
PE = SE · Δν · L. (2)
Предельная дальность многопролетной линии связи зависит от многих характеристик: длин пролетов, затухания в волокне, шум-фактора усилителей, коэффициента нелинейности (выражающего влияние нелинейных эффектов на распространение сигнала), входных мощностей в каждый пролет, количества и типа передаваемых каналов, используемого частотного плана и защитных интервалов, требуемого эксплуатационного запаса по OSNR, пороговой чувствительности транспондера OSNR_T. Значения входных мощностей в линии могут выбираться по-разному в зависимости от используемого метода оптимизации линии (минимизация BER, максимизация запаса по OSNR и др.). Методы оптимизации для систем с когерентным приемом сигнала отличаются от методов, принятых в системах с некогерентным приемом. Для сравнения разных технологий необходимо все экспериментальные или расчетные дальности пересчитать к единому набору входных параметров (характеристик линии).
На рис. 6 показаны три способа увеличения регенерационной длины, а на рис. 7 – три способа увеличения полной скорости передачи по паре волокон.
Увеличение скорости передачи информации в оптических сетях связи за счет применения многоуровневых форматов снижает дальность безрегенерационной передачи и производительность систем связи. Возникает вопрос: а как скажется на дальности передачи информации и производительности увеличение канальной скорости передачи информации за счет увеличения символьной скорости? Сравним низкоскоростную (узкополосную с канальной полосой 35 ГГц) и высокоскоростную (широкополосную с канальной полосой 70 ГГц) канальные конфигурации (см. рис. 8). Пусть в обоих случаях полные мощности на входе в пролет будут равны. Поскольку в широкополосной конфигурации в 2 раза меньше каналов, следовательно, канальная мощность широкополосных каналов должна быть в 2 раза выше. Как известно, спектральная плотность мощности шумов ASE в первую очередь определяется полной мощностью, приходящей на EDFA. Следовательно, в первом приближении спектральная плотность мощности шумов ASE останется в обоих случаях одинаковой.
Аналогичное утверждение можно сделать и о спектральной плотности мощности нелинейных шумов. Данное утверждение следует из референсной формулы модели нелинейного аддитивного гауссова шума. Следовательно, полная спектральная плотность шумов на выходе линии останется постоянной.
Таким образом, спектральные плотности мощности сигнала и шумов останутся одинаковыми в обоих случаях, а значит и спектральное отношение сигнал-шум (SNR) будет одинаковым. При этом, исходя из определения OSNR, следует, что для широкополосных каналов (70 ГГц) полное OSNR на выходе линии будет в 2 раза выше, чем для узкополосных (35 ГГц).
Как известно, BER взаимно однозначно функционально связан именно с величиной SNR. Конкретный вид функциональной зависимости определяется форматом модуляции (см. таблицу 1). Поскольку нелинейные шумы также определяются величиной SNR, а не величиной OSNR, то при оптимальной канальной мощности качество сигнала будет одинаковым при использовании оптимальной канальной мощности (см. рис. 9).
Иными словами, хотя при увеличении символьной скорости в 2 раза возрастают в 2 раза оптимальная канальная мощность (и оптимальная величина OSNR) максимальная дальность передачи не изменяется.
Полученный результат только на первый взгляд кажется парадоксальным, но он легко объясняется, если рассмотреть связь SNR и OSNR, которая с хорошей точностью описывается приближенной формулой, приведенной ниже (для формата QPSK, 1 поляризация):
. (3)
Из этой формулы явно следует, что при фиксированном оптимальном значении SNR увеличение символьной скорости Rs, равной удвоенной электрической полосе (RS = 2 · BWe, Bref = 12,5 ГГц), оптимальное значение OSNR пропорционально символьной скорости RS и также увеличивается, но достижимые качество сигнала и дальность от символьной скорости не зависят (см. рис. 9 и 10).
На практике необходимо к теоретическим значениям требуемого SNR добавить штрафы, связанные с техническими ограничениями конкретной реализации аппаратуры.
В компании «Т8» переход от первого поколения оборудования с полной скоростью 1,2 Тбит / с (80 × 200G) к оборудованию (40 × 400G) не только не привел к снижению максимальной дальности передачи, но и увеличил дальность на 15–65%. При этом главное преимущество нового поколения систем связи с увеличенной канальной скоростью заключается в снижении стоимости передаваемой информации.
4. Некоторые примеры использования результатов научных исследований при разработке, проектировании и совершенствовании оборудования связи
4.1. Нелинейный режим работы когерентных систем связи
Использование новых для индустрии форматов модуляции привело к необходимости разработки новых методов оптимизации волоконно-оптических линий связи (ВОЛС) на их основе. Эта задача была успешно выполнена компанией «Т8»: создана новая методика настройки параметров каналообразующего оборудования (линейных карт) и математический аппарат, использующий эти параметры для проектирования ВОЛС; разработана методика расчета характеристик когерентных волоконно-оптических сетей связи с учетом множества физических эффектов, одновременно воздействующих на распространение сигнала. Предложеные алгоритмы и простые в использовании «инженерные» методики, позволяющие прогнозировать производительность сетей, существенно упрощают проектирование. Результаты исследований опубликованы в статьях [8–13].
4.2. Преодоление прерывания связи при ударах молний в ОКГТ
Использование оптических кабелей в грозотросе (ОКГТ) является экономически эффективным техническим решением, поскольку позволяет реализовать одновременно и функции грозотроса, защищающего линии электропередач от ударов молний, и функции телекоммуникационного оптического кабеля, применяющегося для передачи данных по оптическим волокнам.
Однако прямой удар молнии в ОКГТ, как оказалось, может вызывать кратковременные прерывания связи при использовании современных когерентных высокоскоростных систем передачи информации. Проведенные исследования и численное моделирование позволили установить физический механизм этого явления: удар молнии формирует в волокне сильное продольное магнитное поле, изменение которого, в свою очередь, приводит к вращению состояния поляризации оптического сигнала из-за эффекта Фарадея и к появлению ошибок на приемной стороне [14–17]. Наиболее чувствительными к ударам молнии оказались современные высокоскоростные когерентные системы передачи с многоуровневыми форматами модуляции и поляризационным мультиплексированием.
При ударе молнии скорость вращения состояния поляризации сигнала в волокне может достичь величины 10 Мрад / c (обычно 1–5Мрад / с).
В обычных когерентных транспондерах это приводит к прерыванию связи. Установление причины прерывания связи позволило компании «Т8» создать когерентные транспондеры 100 / 200 / 400G, оснащенные функцией SOP-suppression, способные противостоять таким сильным возмущениям сигнала, вызываемым ударами молний (см. рис. 11).
Как видно из рисунка, использование алгоритма отслеживания состояния поляризации позволяет существенно улучшить устойчивость работы транспондера в условиях ударов молнии.
Кроме того, по результатам исследований влияния ударов молнии на поляризацию света разработан и запущен в производство прибор для определения местоположения и мощности молнии.
4.3. Использование статистических закономерностей в спектрах усилителей для оптимизации линий связи
При распространении многоканального сигнала по оптической линии связи форма его спектра искажается. Неровности в спектре приводят к возникновению дополнительного штрафа по OSNR. Неравномерность спектра усиления EDFA является одним из эффектов, оказывающих существенное влияние на форму спектра сигнала. В научном отделе компании «Т8» изучены статистические свойства распределения значений накопленной неравномерности спектра (Flatness) в многопролетной линии связи с EDFA в зависимости от числа пролетов. На основе полученных распределений получены приближенные аналитические выражения, позволяющие оценивать неравномерность сигнала в многопролетных ВОЛС и делать консервативную оценку неравномерности спектра DWDM сигнала (95% последовательностей EDFA будут иметь неравномерность лучше оценочной) (рис. 12). Согласно полученным результатам с вероятностью 95% один усилитель производства компании «Т8» увеличивает неравномерность спектра на величину не более 0,72 дБ. Исключение составляет случай, когда в линии требуется использование значительного числа (>40%) усилителей с большим значением коэффициента усиления (~35 дБ). При такой конфигурации линии связи с вероятностью 95% один усилитель увеличит неравномерность спектра на величину не более 0,95 дБ.
Найденные закономерности позволяют за счет уменьшения количества пунктов выравнивания спектра сигнала уменьшить стоимость линии.
4.4. Сверхдлинные линии
Построение сетей связи с длинными пролетами требует дополнительных исследований.
В частности, в компании «Т8» теоретически и экспериментально исследованы механизмы деградации сигнала в сверхдлинных однопролетных линиях связи с распределенными рамановскими усилителями с канальной скоростью 100 Гбит / с и когерентным детектированием, ограничивающие предельную длину однопролетных линий [18].
Описаны варианты построения и реализованы модели расчета однопролетных линий связи большой протяженности (рис. 13) [19]. Предложены методы оптимизации при проектировании сверхдлинных линий связи. Показано хорошее совпадение результатов проектирования линии с результатами экспериментальных исследований.
Важными элементами сверхдлинных однопролетных линий связи являются распределенные рамановские и удаленные эрбиевые усилители. В компании «Т8» проведена разработка моделей таких усилителей на основе скоростных уравнений. Для хорошей точности данных моделей по известным методикам проведены измерения параметров телекоммуникационных и активных эрбиевых волокон, таких как: коэффициенты вынужденного комбинационного рассеяния, коэффициенты затухания, сечения поглощения и люминесценции, коэффициент кооперативной ап-конверсии и др. [20]. Создана база данных параметров различных типов телекоммуникационных и активных волокон, позволяющая проектировать сверхдлинные линии на основе любых компонентов.
Для оценки точности разработанных моделей проведены экспериментальные исследования интегральных характеристик усилителей, влияния попутной и встречной рамановских накачек, а также удаленных эрбиевых усилителей на параметры одноканальных и многоканальных однопролетных линий связи. Результаты экспериментальных и расчетных исследований совпадают с хорошей точностью.
По результатам экспериментальных исследований рамановских и удаленных эрбиевых усилителей установлено, что:
Увеличение температуры окружающей среды приводит к уменьшению эффективности использования удаленных эрбиевых усилителей: коэффициент усиления уменьшается, а шум-фактор увеличивается;
Активные волокна для EDFA и ROPA имеют различные характеристики, специализированные для работы каждого усилителя;
Волокно для ROPA должно иметь большое значение эффективности накачки для работы с малой мощностью накачки (рис. 14);
Эффективность накачки эрбиевого усилителя можно увеличить, уменьшив диаметр модового поля.
Реализованные численные модели рамановских и удаленных эрбиевых усилителей применяются при разработке усилителей, в частности широкополосных рамановских усилителей для C-band, гибридных усилителей [21], активных и пассивных блоков ROPA.
Проведенные в научном отделе компании «Т8» исследования позволили создать линейку оборудования для однопролетных систем связи и методику оптимизации таких линий, с использованием которых было установлено несколько мировых рекордов дальности и производительности:
10 × 100 Гбит / с (DP-QPSK, SoftFEC) на расстояние 500 км с применением двух дополнительных волокон доставки накачки, с использованием волокна G.652B (Corning ULL) и G.654B (Corning Vascade EX2000) с полным затуханием 79 дБ [22].
1 × 200 Гбит / с (5 bit per symbol modulation format, 56.8 GBaud) на расстояние 520 км с применением дополнительных волокон с использованием волокна G.652B и G.654.E с полным затуханием 84,5 дБ [23].
2 × 100 Гбит / с (DP-QPSK, SoftFEC) на расстояние 501 км без применения дополнительных волокон с использованием волокна G.652B (Corning ULL) с полным затуханием 80,1 дБ [24].
На выставке «Связь‑2017» (25–28 апреля 2017 года) продемонстрирована передача 1 × 100 Гбит / с (DP-QPSK, SoftFEC) на расстояние 410 км на основе стандартного волокна G652.D (Corning SMF‑28) с полным затуханием 77 дБ.
5. Перспективы и направления развития DWDM-систем связи в России
В ближайшем будущем развитие магистральных ВОЛС будет происходить в направлении увеличения пропускной способности сетей. Там, где на федеральных магистралях уже всеми главными потребителями DWDM-оборудования («Ростелеком», «Большая тройка» и ТТК) установлено когерентное оборудование, будет постепенно увеличиваться число 100G- и 200G- каналов, на региональных магистралях будет происходить переход с 10G-каналов на 100G-каналы, а в региональных сетях агрегации трафика будет расти число 10G-каналов, а число 1G- и 2,5G‑каналов будет стремительно уменьшаться. Можно ожидать нового всплеска массивной модернизации DWDM-сетей, который будет связан с подготовкой к введению в эксплуатацию сетей 5G. В этих условиях оборудование терабитного класса (с поддержкой скоростей передачи до 600 / 800 Гбит / с на одну длину волны, до 1,2 Тбит / с на один блок) окажется очень востребованным для телекоммуникационных систем связи и для сетей связи между дата-центрами и внутри них, поскольку такое оборудование обеспечивает самую низкую стоимость трафика в расчете на гигабит в секунду.
Чтобы увеличить суммарную скорость системы вдвое, нужно будет создать скоростные транспондеры и мукспондеры до 800G (1,2T), оптические усилители и мультиплексоры для работы в С++ диапазоне и линейку дополнительных блоков.
Основные задачи, которые будут решать российские производители:
Расширение номенклатуры и функциональности пассивных DWDM-устройств, прежде всего мультиплексоров / демультиплексоров и OADM;
Сокращение энергоемкости оборудования;
Внедрение технологии Flex Grid (гибкий частотный план), которая уже сейчас является важным конкурентным преимуществом ряда зарубежных производителей;
Разработка и внедрение средств защиты DWDM-каналов, обеспечивающих бесперебойную работу протокола FC;
Совершенствование системы сетевого управления (NMS) с целью облегчения ее стыковки с NMS других основных поставщиков DWDM-оборудования [13].
Переход к следующему поколению когерентных систем связи предъявляет новые требования к оптическим компонентам для обеспечения высокой производительности и уменьшения занимаемой площади.
В ближайшее время ключевой тенденцией в разработке когерентных оптических систем связи станет все более плотная компоновка электрических и оптических компонентов и необходимость в более высоких уровнях интеграции в электрических и фотонных схемах.
Для соответствия новым требованиям фотонные компоненты должны обеспечивать высокую символьную скорость (> 400 G), линейность для поддержки форматов модуляции высокого порядка, низкое энергопотребление и высокую плотность интеграции.
Сегодня практически вся компонентная база высокоскоростных когерентных систем связи российского производства изготавливается за границей. Создание российской компонентной базы интегральной фотоники является критически важной задачей.
К числу ключевых оптических блоков, создание отечественного производства которых является первоочередной задачей, относятся следующие:
Когерентные оптические модули и компоненты;
Оптические трансиверы;
EDFA / RAMAN и другие оптические компоненты;
Пассивные оптические компоненты.
REFERENCES
Listvin V. N., Treshchikov V. N. DWDM systems / 3‑th publ. – M.: Technosphera. 2017. 300 p. ISBN 978-5-94836-488-9.
Листвин В. Н., Трещиков В. Н. DWDM системы. – М.: Техносфера. 2017. 300 с. издание. ISBN 978-5-94836-488-9.
Leonov A. V., Treshchikov V. N., Ubajdullaev R. R. Tendencii razvitiya kogerentnyh sistem svyazi v 2010–2025 gg. Foton-ekspress. 2019; 8(160):4–7.
Леонов А. В., Трещиков В. Н., Убайдуллаев Р. Р. Тенденции развития когерентных систем связи в 2010–2025 гг. Фотон-экспресс. 2019; 8(160):4–7.
Konyshev V., Leonov A., Nanii O., Treshikov V., Ubaydullaev R. System’s 100G Record Through-Put as a Mark of proceeding to fiber optical transmission systems evoluti. Last Mile. 2015; 6: 40–43.
Konyshev V. A., Leonov A. V., Nanii O. E., Slepcov M. A., Treshchikov V. N., Ubajdullaev R. R. Opticheskaya revolyuciya v sistemah svyazi i ee social’no-ekonomicheskie posledstviya. Prikladnaya fotonika. (In Russ.). 2016; 3(1): 15–27.
Конышев В. А., Леонов А. В., Наний О. Е., Слепцов М. А., Трещиков В. Н., Убайдуллаев Р. Р. Оптическая революция в системах связи и ее социально-экономические последствия. Прикладная фотоника. 2016; 3(1): 15–27.
Leonov A. V., Konyshev V. A. From the revolution to the evolution: the change in the character of development of fiber optic communications technology. International Workshop Engineering Technologies and Computer Science. 2017;34–36.
Leonov A., Nanii O., Slepcov M., Treshchikov V. Tendencii razvitiya opticheskih sistem dal’nej svyazi. Prikladnaya fotonika. (In Russ.). 2016;3(2):123–145.
Леонов А., Наний О., Слепцов М., Трещиков В. Тенденции развития оптических систем дальней связи. Прикладная фотоника. 2016;3(2):123–145.
Maniloff E., Gareau S., Moyer M. 400G and Beyond: Coherent Evolution to High-Capacity Inter Data Center Links. OFC. 2019, M3H.4.
Konyshev V., Leonov A., Nanii O., Novikov A., Treshchikov V., Ubajdullaev R. Design principles for modern fiber-optic communication lines. Quantum Electronics. 2019;49(12):1149–1153.
Zhitelev A., Konyshev V., Lukinykh S., Nanii O., Treshchikov V., Ubajdullaev R. Nonlinear distortions as nonlinear noise in coherent fibre-optic communication lines. Quantum Electronics. 2017;47(12):1135–1139.
Konyshev V., Nanii O., Novikov A., Treshchikov V., Ubajdullaev R. Correlation of nonlinear noises from different spans in 100 Gb / s multi-span fiber optic lines. Optics Communications. 2016;381:352–359.
Konyshev V., Nanii O., Treshchikov V., Ubajdullaev R. New method to obtain optimum performance for 100 Gb / s multi-span fiber optic lines. Optics Communications. 2015;355:279–284.
Konyshev V., Leonov A., Nanii O., Novikov A., Treshchikov V., Ubajdullaev R. Accumulation of nonlinear noise in coherent communication lines without dispersion compensation. Optics Communications. 2015;349:19–23.
Konyshev V., Leonov A., Nanii O., Novikov A., Treshchikov V., Ubajdullaev R. Design of high-bit-rate coherent communication links. Quantum Electronics. 2016;46(12):1121–1128.
Akopov S., Konyshev V., Nanii O., Treschikov V., Ubaydullaev R., Frolov I. Influence of Lightings on Operation of Coherent FOCL. Last Mile (In Russ.). 2021; 4: 24–30.
Konyshev V., Lukashova T., Nanii O., Novikov A., Treshchikov V., Ubajdullaev R. Retarded field model for fast polarization rotations caused by lightning events. Laser Physics Letters. 2021;18(11):115101.
Konyshev V., Lukinykh T., Nanii O., Novikov A., Treshchikov V., Ubaidullaev R. Effect of a magnetic field on polarization of light in an optical fibre with a random distribution of linear birefringence. Quantum Electronics. 2019; 49(8):773–776.
Gorbatov D., Konyshev V., Lukinykh T., Nanii O., Novikov A., Treshchikov V., Ubajdullaev R. Effect of anisotropy of a single-mode fibre on lightning-induced rotation of polarisation of a light signal in an optical ground wire. Quantum Electronics. 2022; 52(1):87–93.
Starykh D., Shikhaliev I., Konyshev V., Nanii O., Treshchikov V., Ubaydullaev R., Kharasov D. Experimental investigation of nonlinear operation mode of a DP-QPSK 100G link with co-propagating-pump Raman amplification. Quantum Electronics. 2018;48(8):767–772.
Старых Д., Шихалиев И., Конышев В., Наний О., Трещиков В., Убайдуллаев Р., Харасов Д. Экспериментальное исследование нелинейного режима работы DP-QPSK 100G линии связи, содержащей распределенный рамановский усилитель с попутной накачкой. Quantum Electronics (In Russ.). 2018;48(8):767–772.
Gainov V., Konyshev V., Leonov A., Lukinykh S., Nanii O., Novikov A., Shikhaliev I., Treshchikov V., Ubaydullaev R. Odnoproletnye opticheskie linii svyazi bol’shoj protyazhennosti. Prikladnaya fotonika. (In Russ.). 2015; 2(1): 5–22.
Гайнов В., Конышев В., Леонов А., Лукиных С., Наний О., Новиков А., Шихалиев И., Трещиков В., Убайдуллаев Р. Однопролетные оптические линии связи большой протяженности. Прикладная фотоника. 2015; 2(1): 5–22.
Zhulidova M., Nanii O., Treshchikov V., Tsibinogina M., Shevtsov D., Shikhaliev I. Erbium Amplifiers With Remote Pumping On Domestic Active Fiber. Last Mile. (In Russ.). 2020; 88(3):54–59.
Shikhaliyev I., Lukinykh S., Nanii O., Treshchikov V., Starykh D., Konyshev V., Ubaydulayev R. Broadband hybrid optical amplifier: how to improve existing FOCLs. Last Mile (In Russ.). 2018;2: 68–72.
Gainov V., Gurkin N., Lukinih S., Makovejs S., Akopov S., Ten S., Nanii O., Treshchikov V., Sleptsov M. Record 500 km unrepeatered 1 Tbit / s (10×100G) transmission over an ultra-low loss fiber. Optics Express. 2014; 22(19):22308.
Starykh D., Akopov S., Kharasov D., Konyshev V., Makovejs S., Nanii O., Shikhaliev I., Treshchikov V. 200 Gb / s per Channel Unrepeatered Transmission Over 520 km Terrestrial Fibers. Photonics Technology Letters. 2019;31(22):1799–1802.
Gainov V., Gurkin N., Lukinih S., Shikhaliev I., Skvortsov P., Makovejs S., Akopov S., Ten S., Nanii O., Treshchikov V. 500 km unrepeatered 200 Gbit∙s‑1 transmission over a G.652‑compliant ultra-low loss fiber only. Laser Physics Letters. 2015;12(6):066201(1)-066201(6).
АВТОРЫ
В. Н. Трещиков, к. ф.‑ м. н., генеральный директор компании «Т8».
ORCID: 0000-0002-6665-8564
М. А. Горбашова, инженер компании «Т8».
ORCID: 0000-0002-5084-3845
М. О. Жулидова, инженер компании «Т8».
ORCID: 0000-0002-7013-1538
В. А. Конышев, к. ф.‑ м. н., руководитель научной группы компании «Т8».
ORCID: 0000-0001-8482-2922
А. В. Леонов, д. т. н., заместитель генерального директора по техническому развитию компании «Т8».
ORCID: 0000-0003-1938-9864
О. Е. Наний, д. ф.‑ м. н., профессор МГУ, начальник научно-исследовательского отдела компании «Т8».
ORCID: 0000-0003-4269-1332
Д. Д. Старых, заместитель начальника научно-исследовательского отдела компании «Т8».
ORCID: 0000-0002-6533-8462
Р. Р. Убайдуллаев, инженер компании «Т8».
ORCID: 0000-0003-3210-2290
И. И. Шихалиев, к. т. н., руководитель группы компании «Т8», shikhaliev@t8.ru.
ORCID: 0000-0003-0351-5408
Отзывы читателей
