СПОСОБ ПЕРЕДАЧИ ЦИФРОВЫХ ПОТОКОВ ДАННЫХ ПО ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКОЙ ЛИНИИ СВЯЗИ
METHOD TO TRANSFER DIGITAL DATA STREAMS ALONG FIBRE OPTIC COMMUNICATION LINE

Изобретение представляет собой способ, относится к области систем передачи информации и может быть использовано для магистральных и объектовых волоконно-оптических систем передачи цифровой информации по волоконно-оптическим трактам и касается канального уровня организации системы передачи (подуровня управления доступом к среде).
Известен способ высокоскоростной передачи цифровых потоков данных по волоконно-оптическим линиям связи [1].
Способ заключается в том, что лазерным источником излучения в оптическом волокне при совместном действии дисперсионных и нелинейных эффектов в области аномальной (отрицательной) дисперсии возбуждают оптические солитоны, волны специальной формы, распространяющиеся в волокне на значительные расстояния практически без искажения своей формы, при этом пиковая мощность начального импульса должна быть больше некоторого порогового значения. Оптические солитоны модулируют сигналами цифрового потока данных, на приемном конце линии передачи (волоконно-оптического тракта) оптические солитоны преобразуют в первоначальный электрический поток цифровых данных.
Солитонные линии связи могут использоваться для увеличения длины регенерационного участка (по меньшей мере в два раза по сравнению с обычной) и для передачи информации на очень большие расстояния (несколько тысяч километров) без использования регенераторов.
Солитонный импульс в линии связи играет роль информационного импульса. При увеличении скорости передачи информации расстояние между такими импульсами, а значит, и солитонами становится настолько малым, что нельзя избежать их взаимодействия. При определенном малом расстоянии между ними такое взаимодействие может периодически вызывать коллапс солитонов, что нежелательно, так как это ведет к ошибкам в передаваемой информации. Если не принимать специальных мер, то солитонные системы могут обеспечить передачу на скоростях порядка 40 Гбит/с с минимальным взаимным влиянием, если использовать импульсы шириной 2-3 пс. Используя специальные меры, например солитоны, поляризованные в ортогональных плоскостях, можно довести скорость передачи до 160 Гбит/с.
Таким образом, недостатками способа передачи данных при помощи солитонов являются следующие:
- невысокая надежностью передачи, связанная с возможностью коллапсов солитонов, при нарушении одного из многих условий, при которых солитон может существовать;
- жесткие требования к параметрам волоконно-оптического тракта: затуханию на рабочей длине волны оптического излучения, хроматической и поляризационно-модовой дисперсии;
- ограничение по скорости передаваемой информации (теоретический предел скорости - 160 Гбит/с);
- отсутствие защиты от несанкционированного доступа к информации.
Еще одним известным способом передачи информации по волоконно-оптическим линиям связи является способ спектрального уплотнения передаваемых сигналов (WDM), описанный в [2].
Способ заключается в формировании структурированных параллельных цифровых потоков данных, преобразовании электрических сигналов в этих потоках в оптические сигналы с различными длинами волн оптического излучения для каждого потока, объединении (мультиплексировании) этих сигналов в один агрегатный поток, усилении оптической мощности агрегатного потока и передаче его через волоконно-оптический тракт, расформировании агрегатного потока на выходе волоконно-оптического тракта в компонентные сигналы (спектральном демультиплексировании), преобразовании компонентных оптических сигналов (спектральных составляющих агрегатного потока) в электрические цифровые потоки.
Достоинством рассмотренного способа передачи информации является его универсальность, определяемая независимостью от вида передаваемых цифровых потоков (цифровые потоки могут быть сформированы различными технологиями передачи информации: SDH, PDH, IP, ATM или др.).
Недостатками рассмотренного способа являются:
- невысокая надежность доставки информации;
- высокие требования к параметрам оптического волокна волоконно-оптического тракта;
- ограничение по скорости передаваемой информации (скорость не может быть выше результата от перемножения количества длин волн компонентных потоков на их скорость);
- отсутствие защиты от несанкционированного доступа на физическом уровне.
Невысокая надежность передачи информации обусловлена тем, что при одновременном распространении по оптическому волокну многих спектральных составляющих оптического излучения возможны локальные всплески значения плотности оптической мощности в сердцевине волокна, которые могут привести к таким нежелательным явлениям, как [1, 3]:
- фазовая самомодуляция;
- вынужденные неупругие рассеяния, такие как комбинационное (рамановское) и Мандельштама-Бриллюэна (бриллюэновское);
- модуляционная неустойчивость;
- четырехволновое смешение;
- возникновение оптического разряда, который может привести к разрушению оптического волокна.
Высокие требования к параметрам оптического волокна связаны с требованиями минимизации возможного перекрестного влияния спектральных каналов друг на друга. Например, влияние каналов друг на друга может проявляться из-за нелинейного преломления, проявляющегося в том, что имеет место зависимость показателя преломления сердцевины оптического волокна не только от частоты оптических сигналов, но и от интенсивности этих сигналов.
При несанкционированном подключении к оптическому волокну волоконно-оптического тракта может быть получен передаваемый график, так как кодировки трафика рассматриваемый метод не предусматривает.
Наиболее близким по техническому решению к предлагаемому способу является способ символьной передачи информации по волоконно-оптической линии связи, описанный в [4] и заключающийся в том, что формируют цифровой электрический сигнал (ЦЭС) со скоростью П бит/с. ЦЭС разбивают на равные кластеры по К бит в каждом и кодируют их оптическими сигналами. Кодирующие оптические сигналы, представляющие собой оптические импульсы с длинами волн оптического излучения, зависящими от содержания кластеров, передают по одной жиле волоконно-оптического тракта.
На выходе волоконно-оптического тракта оптические сигналы демультиплексируют по длине волны оптического излучения, преобразуют в электрические сигналы и сравнивают их уровни. Выбирают сигнал с максимальным уровнем и преобразуют в кластер объемом К бит, содержание которого соответствует значению длины волны принятого оптического сигнала.
Достоинствами предложенного способа являются:
- снижение требований к ВОЛС по сравнению со способом WDM;
- лучшая по сравнению с WDM помехозащищенность и достоверность передачи, так как понижается скорость передачи, а следовательно, увеличивается отношение сигнал/шум и уменьшается определяемый этим отношением параметр ошибок по битам;
- передаваемый трафик защищен от несанкционированного доступа (съема информации), так как информационные биты при передаче кодируют значениями длин волн оптических импульсов.
Недостатками рассмотренного способа являются:
- ограничение скорости передачи информации, связанное с тем, что способ рассчитан на передачу только одного цифрового потока информации (пределом скорости является величина 40 Гбит/с [5], определяемая технологией производства современной электронной компонентной базы);
- недостаточная помехозащищенность и достоверность передачи информации на большие расстояния из-за незначительного понижения скорости в волоконно-оптическом канале передачи по сравнению со скоростью передаваемого цифрового потока (для понижения скорости передачи в 8 раз потребуется сформировать кластеры размером в один байт, для кодирования таких кластеров необходимо использование 256 длин волн оптического излучения, что является технологически трудной задачей);
- слабая защищенность информации от несанкционированного доступа (при размере кластера в один байт для раскодирования понадобится перебрать всего 256 возможных комбинаций).
Предложенный способ решает задачи повышения помехозащищенности и достоверности передаваемой информации, еще большего снижения требований к оптическому волокну волоконно-оптического тракта, повышения скорости передачи информации, повышения защиты передаваемой информации от несанкционированного доступа на физическом уровне.
Сущность изобретения заключается в том, что в способе передачи цифровых потоков данных по волоконно-оптической линии связи, заключающемся в том, что формируют цифровой поток данных, разбивают его на кластеры, содержащие равные объемы цифровой информации, кластеры кодируют оптическими сигналами, которые передают по оптическому волокну волоконно-оптического тракта передачи, на приемном конце тракта передачи оптические сигналы демультиплексируют по длине волны оптического излучения, преобразуют в электрические и декодируют, в отличие от способа по прототипу увеличивают число формируемых цифровых потоков данных до N, каждый из N потоков разбивают на кластеры, а кластеры кодируют оптическими сигналами в виде следующих друг за другом Y групп оптических импульсов, в каждой группе может быть от одного до V оптических импульсов с различными длинами волн оптического излучения, причем битовый состав каждого из кластеров однозначно определяется составом кодирующего его оптического сигнала, отличающегося порядком следования и составом групп оптических импульсов, кодирующие оптические сигналы объединяют в кадры из N сигналов, в качестве маркера начала каждого кадра используют оптический импульс с фиксированной длиной волны оптического излучения, отличной от длин волн импульсов в оптических сигналах, помещают маркер в начале первого кодирующего оптического сигнала каждого кадра, кадры с маркерами в начале каждого кадра передают по оптическому волокну волоконно-оптического тракта передачи, на приемном конце волоконно-оптического тракта оптический импульс маркера преобразуют в электрический импульс, который запускает процессы восстановления N цифровых потоков данных путем раскодирования электрических сигналов, преобразованных из оптических кодирующих сигналов каждого кадра в кластеры и их распределения по параллельным цифровым потокам.
Рассмотрим принцип действия волоконно-оптической линии передачи, реализующей предложенный способ.
б
На фигуре 1 представлена схема процесса формирования агрегатного потока из N структурированных цифровых потоков со скоростью П бит/с, с битовыми интервалами Т,
к
Структурированные цифровые потоки разбиваются на кластеры, представляющие собой блоки из К бит информации, период следования кластеров Т равен
Каждый кластер кодируется оптическим сигналом, представляющим собой следующие друг за другом Y групп из оптических импульсов.
Число импульсов в группе может быть от одного до V, каждый оптический импульс в группе имеет свою индивидуальную длину волны оптического излучения. Значения длин волн импульсов в одной группе не повторяются.
1
1
Оптические сигналы, кодирующие первый кластер N компонентных (Исходные цифровые потоки данных являются компонентными, так как из них формируется агрегатный групповой поток данных) цифровых потоков данных, объединяются в первый кадр, кодирующие второй кластер во второй кадр и так далее. Из кадров, сопровождаемых маркерными оптическими импульсами, и следующих друг другом образуется агрегатный (групповой) поток данных. Длина волны маркерных оптических импульсов всех кадров одинакова для всех кадров и не используется при формировании кодирующих оптических сигналов.
г
Выбор периода следования групп импульсов оптических кодирующих сигналов Т зависит от приоритетов принимаемых при проектировании волоконно-оптической линии связи.
б
г
б
к
Если в качестве приоритета принято быстродействие линии связи, то период следования групп выбирается равным или меньшим значения Т (Т≤Т). Так как быстродействие линии связи зависит от количества кодирующих оптических сигналов, размещаемых в кадре длительностью Т, то в кадре размещают максимальное число сигналов, равное целому значению от деления .
Если в качестве приоритета принимается снижение требований к параметрам волоконно-оптического тракта и надежность доставки сообщений, то кластеры могут передаваться кадрами, состоящими только из одного кодирующего сигнала. Период следования групп импульсов в кодирующих сигналах может быть найден по формуле
б
При этом период следования групп импульсов в  будет превышать Т. Соответственно скорость волоконно-оптической линии передачи будет ниже скорости передаваемого информационного потока в  раз. При уменьшении скорости передаваемых оптических сигналов увеличивается отношение сигнал/шум, уменьшается значение параметра ошибок по битам и уменьшаются требования к параметрам оптического волокна волоконно-оптического тракта.
На фигуре 2 представлена схема процесса расформирования агрегатного потока. Процесс восстановления исходных кластеров потоков запускается автоматически оптическим маркерным импульсом и начинается в конце текущего кластера. Образ каждого кластера хранится в резидентной памяти программ управляющего микроконтроллера и однозначно соответствует составу кодирующего сигнала. То есть количество вариаций кодирующего сигнала должно соответствовать всем возможным значениям кластера.
Предложенный способ реализуется устройством, структурная схема передающего блока которого представлена на фигуре 3.
Передающий блок содержит следующие узлы: узлы выделения синхроимпульсов из структурированных цифровых потоков 1 и 2 (узел 1 выделяет сигнал синхронизации 1-го цифрового потока, а узел 2 - N-го цифрового потока), счетчики-делители 3 и 4, отсчитывающие кластеры размером К бит, блоки сдвиговых регистров 5 и 6, преобразующие последовательные К бит данных в параллельный К - разрядный код, направляемый на входы микроконтроллера 7, узел драйверов 8, управляющий полупроводниковыми оптоэлектронными передающими модулями 9, 10, 11 и связанный с выходами микроконтроллера 7, оптического спектрального мультиплексора 12, объединяющего выходные оптические излучения модулей 9, 10 и 11 в единый агрегатный оптический поток, направляемый в волоконно-оптический тракт.
Передающий блок устройства работает следующим образом.
Основными узлами передающего блока управляет микроконтроллер 7. Микроконтроллер может представлять собой многопроцессорную систему с параллельной обработкой информации. Число процессоров должно соответствовать числу параллельных цифровых потоков.
По сигналам со счетчиков делителей частоты 3 и 4 производится запись и запоминание в резидентной памяти данных кластеров передаваемых цифровых потоков, каждому кластеру присваивается индивидуальный номер, в котором отражается его порядковый номер и принадлежность к определенному цифровому потоку. Контроллер содержит также резидентную память программ, в которую помимо кода программы заносятся индивидуальные коды всех возможных кластеров (кодовая таблица).
Используя резидентную память данных, в которой содержатся кластеры потоков, предназначенных для передачи, и резидентную память программ, в которой хранятся кодовые таблицы кластеров, микроконтроллер формирует кадры, состоящие из оптических кодирующих сигналов. Сначала программно формируются последовательности из маркерного электрического импульса и параллельных электрических сигналов (количество параллельных сигналов соответствует числу групп Y, число разрядов параллельных сигналов соответствует числу оптических импульсов в группе V). Электрические сигналы направляются на драйверы 8, управляющие передающими оптоэлектронными модулями, преобразующими электрические сигналы в оптические.
Из оптических сигналов создаются кадры.
1
V
В начале каждого кадра формируется маркерный оптический импульс (на выходе оптоэлектронного модуля 9), затем генерируется в соответствии с кодовой таблицей последовательность из Y групп оптических импульсов. Каждая группа может состоять из нескольких оптических импульсов (от одного до V) с различными длинами волн оптического излучения, формируемых V передающими оптоэлектронными модулями (на схеме модуль 10 формирует импульсы на длине волны оптического излучения λ, модуль 11 - на длине волны оптического излучения λ, остальные модули не показаны).
В качестве примера рассмотрим все возможные состояния групп импульсов при V=8.
1
1
8
Состояние S=1, группа состоит из восьми импульсов с длинами волн λ, … λ.
2
1
8
Состояния S, характеризуются отсутствием в группе одного импульса с одной из длин волн из набора λ, … λ. Число таких состояний можно определить по формуле
где  - число сочетаний из 8 по 1.
3
8
Состояния с S по S характеризуются отсутствием в составе группы двух, трех и так далее до семи импульсов излучения, число состояний определяется числом сочетаний из 8-ми по 2, 3, … 7.
Σ
Общее число различных состояний группы из восьми оптических импульсов S может быть найдено по формуле
c
Σ
Число состояний любого оптического кодирующего сигнала из Y групп оптических импульсов S определяется числом размещений из S по Y.
Но группы импульсов, составляющие кодирующие оптические сигналы, могут быть и одинаковыми (содержать одинаковые наборы оптических импульсов). Одинаковыми могут быть в различных сочетаниях как две, так и три, четыре и т.д. до Y групп. Может отличаться также порядок следования таких групп, число возможных состояний, определяемых порядком следования, вычисляется числом перемещений из Y.
Полный массив состояний групп, из которых формируются кодирующие оптические сигналы с учетом сделанных замечаний, можно оценить по формуле
П
А число состояний любого кодирующего оптического сигнала определяется числом размещений из S по Y.
П
KC
Если кодирующий сигнал состоит из восьми групп (Y=8, V=8), то S=255·8=2040, а общее число состояний такого кодирующего сигнала S может быть найдено по формуле
где  - число возможных размещений из 2040 по 8.
Число, полученное по формуле (7), определяет максимальный размер кластера. Число разрядов (битов) кластера рассчитывается, исходя из его максимального размера, и определяется ближайшим к нему двоичным числом, состоящим из одних логических единиц.
Ближайшим двоичным числом, состоящим из одних единиц, к вычисленному по формуле (7) максимальному размера кластера является 22-разрядное шестнадцатеричное число 7FFFFFFFFFFFFFFFFFFFFF h или 87-разрядное двоичное число.
Таким образом, используя восемь битовых интервалов и восемь длин волн оптического излучения для формирования кодирующего оптического сигнала, можно передать по линии передачи 87-битовый отрезок потока данных.
Как было показано выше, кодирующие оптические сигналы, инкапсулированные в кадры и сопровождаемые маркерными оптическими импульсами при помощи оптического мультиплексора 12, объединяются в единый агрегатный поток, направляемый в приемный блок устройства через волоконно-оптический тракт.
Структурная схема приемного блока представлена на фигуре 4.
м
1
V
1
V
Приемный блок содержит следующие узлы: спектральный оптический демультиплексор 13, выделяющий из оптического агрегатного сигнала маркерные импульсы (с длиной волны оптического излучения λ) и импульсы кодирующих сигналов (с длинами волн оптического излучения λ, … λ), приемные оптоэлектронные модули (на схеме представлены приемные оптоэлектронные модули маркерных импульсов 14, импульсов с длиной волны оптического излучения λ, 15 и λ, 16, остальные не показаны), микроконтроллер приемного блока 17 (многопроцессорный, аналогичный микроконтроллеру передающего блока), сдвиговые регистры 18, восстанавливающие последовательные потоки из параллельных выходных сигналов микроконтроллера (выполняют функции сериолайзера).
Приемный блок работает следующим образом.
В начале кадра приходит маркерный импульс, этот импульс первым преобразуется в электрический импульс приемным оптоэлектронным модулем 14. Маркерный электрический импульс запускает встроенные таймеры микроконтроллера, настроенные на прием преобразованных в электрическую форму кодирующих сигналов.
Первые Y кодовых комбинаций импульсов запоминаются в области резидентной памяти данных, отведенной для первого потока, вторые Y кодовых комбинаций записываются в область памяти второго потока и так далее. После записи всех комбинаций микроконтроллер приступает к их обработке. Обработка сводится к нахождению в кодовых таблицах по полученным данным образа кластера, код которого был передан по каналу передачи.
После нахождения образа кластера, переданного кодовым сигналом, микроконтроллер запускает процедуру восстановления потока битов кластера, для этого используются сдвиговые регистры 18.
После обработки первого кадра обрабатываются в той же последовательности и последующие кадры, таким образом, чтобы восстановленные потоки были непрерывными.
Возможные сбои и ошибки при передаче информации на физическом уровне приемным блоком не отслеживаются, за исправление возможных ошибок должен отвечать более высокий транспортный уровень системы передачи.
Рассмотренный способ передачи цифровых потоков данных по волоконно-оптической линии связи имеет следующие преимущества по сравнению с прототипом.
1. Бóльшая помехозащищенность и достоверность передаваемой информации.
2. Более высокая скорость передачи информации.
3. Улучшенная защита передаваемой информации от несанкционированного доступа на физическом уровне.
Покажем эти преимущества на конкретных примерах.
Помехозащищенность и достоверность передаваемой информации зависят в основном от отношения сигнал/шум канала передачи. В свою очередь это отношение в сильной степени зависит от скорости передачи данных. От скорости передачи зависят и требования к оптическому волокну волоконно-оптического тракта.
Если в качестве приоритета при проектировании волоконно-оптической линии связи принимается снижение требований к параметрам волоконно-оптического тракта и надежность доставки, то требуется понизить скорость в канале передачи.
В способе-прототипе понижение скорости передачи данных в канале передачи обеспечивается кодированием передаваемых бит информации значением длины волны оптического излучения. При использовании восьми длин волн для кодирования данных этим способом можно закодировать не более трех бит информации (возможные варианты закодированных бит: 000; 001; 010; 011; 100; 101; 110, 111). В соответствии с этим и скорость в канале передачи можно понизить в три раза.
Предложенный способ, как было показано выше, позволяет при использовании оптических сигналов из 8-ми групп оптических импульсов с числом импульсов в группе до 8 (число используемых длин волн оптического излучения равно восьми) закодировать 87 бит информации. В соответствии с этим возможно понижение скорости в 10 раз .
Например, поток данных со скоростью 10 Гбит/с может быть передан по волоконно-оптической линии с быстродействием 1 Гбит/с.
Рассмотрим случай, когда приоритетом при проектировании волоконно-оптической линии связи является максимальное быстродействие.
Как было показано выше, наиболее быстродействующими линиями связи являются линии, в которых используется способ спектрального уплотнения передаваемых оптических сигналов (технология WDM). При использовании девяти длин волн оптического излучения максимальная скорость агрегатного потока может быть не более 9·В, где В - скорость компонентных потоков данных.
Если использовать предлагаемый метод, при восьми длинах волн оптического излучения оптических кодирующих сигналов (V=8), одной длине волны оптического излучения маркерного оптического сигнала, восьми группах кодирующего сигнала (Y=8), периоде следования групп, равном битовому интервалу информационных потоков, то в формируемых кадрах могут быть размещены Q кодирующих сигналов.
Величина Q может быть найдена по формуле
где K (Y=8, V=8) - число бит кодируемого кластера при V=Y=8.
Подставляя значения параметров K(Y=8, V=8)=87, Y=8, получим Q=10,7≈10.
То есть максимальная скорость агрегатного потока составит 10 В, где В - скорость компонентных потоков данных. Выигрыш по сравнению со способом WDM составляет 10%. Можно показать, что выигрыш будет ускоренно нелинейно возрастать при увеличении количества длин волн оптического излучения.
Способ WDM не предусматривает защиты от несанкционированного доступа на физическом уровне.
Способ передачи данных по прототипу предусматривает кодирование передаваемых данных значением длины волны. Однако если использовать в качестве критерия качества кодирования число возможных комбинаций кода, то предлагаемый способ на несколько порядков превышает способ прототип [4] (для 8-ми длин волн на 84 порядка).
Следует заметить, что кодовые таблицы в предлагаемом способе для каждого из N потоков данных могут быть различными.
Способ предусматривает возможность смены кодовых таблиц через интервалы времени, соответствующие времени раскодирования по полученному фрагменту кодовой последовательности. Эта смена может быть заложена в алгоритм управляющих программ микроконтроллеров передающего и приемного блоков устройства, реализующего предложенный способ.
Использованная литература
1. Слепов Н.Н. Солитонные сети. «Сети», №03, 1999.
2. Слепов Н.Н. Современные технологии цифровых оптоволоконных сетей связи. М.: Радио и связь, 2000, 467 с.
3. Буфетов И.А., Дианов Е.М. Оптический разряд в волоконных световодах. Lightwave Russian edition, №4, 2004, стр.50-51.
4. Патент РФ на изобретение №2161374 «Способ символьной передачи информации по волоконно-оптической линии связи».
5. Бахаревский А.Л. Новые транспондеры для передачи данных на скорости 40 Гбит/с на базе модуляции CP-DQPSK. Фотон-экспресс, №1 (89), февраль 2011 г., с.28-29.