ОПТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ПЕРЕДАЧИ
OPTICAL TRANSMISSION SYSTEM

Изобретение относится к оптической системе передачи согласно родовому понятию пункта 1 формулы изобретения.
Среди оптических сетей различают сети дальней передачи трафика (базовые сети), которые выполнены согласно рекомендациям SONET или SDH, и сети доступа. Сети доступа выполнены в виде так называемых пассивных оптических сетей (PON), в которых передача данных осуществляется в первом «канале длины волны» согласно специальным протоколам PON. В «нисходящем направлении» передача осуществляется в режиме трансляции с временным уплотнением от центрального узла, чаще всего называемого «терминалом оптической линии» (OLT), к множеству подключенных оптических сетевых терминалов (ONU/ONT), которые адресуются индивидуальным образом. В «восходящем направлении» сетевые терминалы ONU/ONT совместно используют второй канал длины волны, чтобы передавать данные на центральный узел также в режиме временного мультиплексирования в пакетах данных или в соответствии с ячейкой радиосвязи. Пропускная способность, определяемая как «ширина полосы», между центральным узлом и сетевым терминалом может изменяться. Полезные данные, обозначаемые как «полезная нагрузка», передаются, например, в асинхронном режиме передачи (АТМ) или, по причинам затрат, в соответствии с рекомендациями Ethernet. Главное преимущество использования пассивных оптических сетей протокола Ethernet (Ethernet PON) заключается в том, что это позволяет избежать сложных и поэтому дорогостоящих элементов сетей ATM или SONET. Развитие этих сетей представлено в статье “Gigabit Ethernet Passive Optical Networks”, Gerry Pesavento Senior, Mark Kelsey, Alloptic Inc., Livermove, CA 94550.
В патентном документе US 2003/0002776 описана система передачи с ячеистой базовой метро-сетью, работающая по принципу мультиплексирования по длинам волн. К базовой метро-сети подключены двунаправленные соединения доступа, которые, в противоположность обычным PON-сетям, работают в режиме мультиплексирования по длинам волн и поэтому требуют соответствующих затрат на установление соединения.
Дальнейшее развитие описанных систем для более высоких скоростей передачи данных изложено в виде сети GPON в рекомендациях ITU G984. Новейшие варианты развития, обозначенные как «супер PON» (Super PON), обсуждаются в журнале IEEE Communications Magazine, февраль 2000, страницы 74-82 под заголовком «The SuperPON Demonstrator: An Exploration of Possible Evolution Path for Optical Access Networks». Целью развития является расширение объема этих сетей доступа и увеличение числа возможных абонентских подключений. Упрощение достигается тем, что так называемые «узкополосные коммутаторы» узлов доступа перемещаются из зоны доступа в базовую сеть (фиг.1, фиг.2). Однако зона доступа, как и ранее, имеет активные (с усилением) разветвители, чтобы оптические терминалы (ONT/ONO) снабдить достаточной оптической мощностью.
Описанная здесь сеть имеет, кроме того, следующие недостатки: в зоне доступа требуются, как и ранее, оптические регенераторы в виде блоков оптических повторителей (ORU); следует ожидать, что используемые в них оптические регенераторы являются активными элементами. Дальность действия для больших сетевых структур в зоне метро слишком мала и находится в чисто пассивной области (на фиг.2 обозначена как «Drop (10 km)».
Поэтому задача изобретения заключается в создании оптической системы передачи с большей дальностью действия и с простой структурой.
Подобная система охарактеризована в пункте 1 формулы изобретения.
Предпочтительные варианты осуществления приведены в зависимых пунктах формулы изобретения.
В этой системе передачи следует различать метро-зону и зону доступа или базовую метро-зону и соединения доступа. В пограничных узлах между метро-зоной и зоной доступа используются устройства метро-подключения с регенераторами и/или преобразователями длин волн. Они содержат регенераторы (усилители) для направлений нисходящей линии связи и восходящей линии связи, за счет чего существенно увеличивается дальность действия между центром управления и коммутации и сетевыми терминалами.
Только в метро-зоне до устройств метро-подключения требуется энергоснабжение. Так как только в этой зоне имеются активные компоненты, работы по техническому обслуживанию ограничиваются, практически, этой зоной. Соединения доступа между устройствами метро-подключения и оптическими сетевыми терминалами (ONU/ONT) выполняются чисто пассивными и не требуют никакого технического обслуживания.
В метро-зоне передача осуществляется предпочтительным образом в режиме мультиплексирования по длинам волн, так что могут транспортироваться значительные объемы данных многих соединений доступа. Центр управления и коммутации концентрирует существенные компоненты в одном узле, так что расширение может производиться без каких-либо проблем. Контроль также осуществляется из этого центра.
Метро-зона предпочтительно выполняется как кольцевая сеть, так что реализуется оптимальное покрытие территории при минимальных затратах. Надежность эксплуатации может значительно быть повышена за счет защитного кольца с второй волоконной линией.
На всех соединениях доступа применяются одинаковые длины волн для одинаковых услуг, так что могут применяться единые оптические сетевые терминалы.
По причинам затрат передача в зоне доступа осуществляется двунаправленно только через одну волоконную линию, причем во избежание сигналов взаимных помех применяются различные длины волн для каждого направления передачи. Кроме того, по этой волоконной линии могут передаваться данные различных услуг на различных длинах волн.
Так как сеть имеет увеличенный объем по сравнению с известными до сих пор сетями, обмен данными регулируется с помощью модифицированного PON-протокола.
Пример осуществления изобретения поясняется со ссылками на чертежи.
Фиг.1 - функциональная блок-схема системы передачи.
Фиг.2 - устройство метро-подключения.
Фиг.3 - вариант системы передачи.
Система передачи состоит из базовой метро-сети (MET) и центра управления и коммутации (ZEN) и множества соединений доступа к оптическим сетевым терминалам (ONU). Центр ZEN управления и коммутации, с точки зрения его функций, можно сравнить с расширенным оптическим линейным терминалом (OLT). Передача данных осуществляется двунаправленным способом между центром ZEN управления и коммутации и оптическими сетевыми терминалами ONU по протоколу PON.
Базовая метро-сеть MET показана на фиг.1 как двунаправленная кольцевая сеть с двумя волоконными линиями F1, F2. Также она может быть выполнена как двунаправленная кольцевая сеть с одной волоконной линией или как однонаправленная кольцевая сеть с одной или двумя волоконными линиями. Она также может представлять сбой ячеистую сеть.
В метро-сети MET согласно фиг.1 данные передаются двунаправленным способом между центром ZEN управления и коммутации до различных устройств МАР1-МАР3 метро-подключения в режиме мультиплексирования по длинам волн. Передача в базовой метро-сети может при этом осуществляться двунаправленным способом через волоконную линию или - например, отдельно для каждого направления передачи - через две волоконные линии. Применение второй волоконной линии способствует существенному повышению надежности функционирования, так как в случае неисправности может поддерживаться работоспособное состояние между центром ZEN управления и коммутации и каждым из различных устройств МАР1-МАР3 метро-подключения с использованием известного способа резервирования.
Между устройствами МАР1-МАР3 метро-подключения базовой метро-сети MET и оптическими сетевыми терминалами ONU (оптическими сетевыми блоками - ONU или оптическими сетевыми терминалами - ONT) существует соответственно чисто пассивное оптическое «соединение доступа», через которое данные также передаются двунаправленным способом. Первое соединение доступа АС1 реализовано подключенным к устройству МАР1 метро-подключения оптическим волноводом доступа FI1 и пассивным разветвителем SP1, к другим выводам которого подключено несколько оптических сетевых терминалов ONU. Другие соединения доступа АС2-АС4 реализованы соответствующим образом. В принципе, за счет разветвителей SP1, SP2, … мощность приема, предоставленная в распоряжение соответствующим подключенным сетевым терминалам ONU, снижается в соответствии с отношением деления. В настоящее время стремятся получить отношение деления порядка 1:100, для чего в устройствах метро-подключения предусмотрены соответствующие мощные лазеры или усилители и, в соответствующих случаях, должны приниматься меры против мешающих нелинейных эффектов. К сетевым терминалам ONU подключены, чаще всего после оптико-электронного преобразования, пользовательские устройства.
Система передачи выполнена таким образом, что соединения доступа АС1-АС4 (на фиг.1 показаны лишь частично) не содержат активных элементов. Только устройства МАР метро-подключения и сетевые терминалы ONU требуют активных элементов и, следовательно, энергии. И остальная система передачи, базовая метро-сеть, предпочтительно выполнена таким образом, что не требуются никакие усилители между устройствами МАР метро-подключения МАР и центром ZEN управления и коммутации. И здесь, естественно, возможно резервирование путем применения второй волоконной линии.
1
В направлении нисходящей линии связи (от центра ZEN управления и коммутации через устройство МАР метро-подключения к подключенным к нему сетевым терминалам ONU) осуществляется передача данных в широковещательном режиме с временным мультиплексированием согласно действительным для пассивных оптических сетей рекомендациям ITU или модифицированным рекомендациям соответственно в импульсном кадре нисходящей линии связи. Этот мультиплексированный сигнал обозначен здесь как метро-сигнал нисходящей линии связи. От центра ZEN управления и коммутации через первую волоконную линию F1 базовой метро-сети MET, как правило, передается множество метро-сигналов SλD1, SλD2, SλD3, … нисходящей линии связи с различными длинами волн λD1, λD2, λD3, … (на фиг.1 в скобках) к различным устройствам МАР1, МАР2, МАР3, МАР4 метро-подключения. Эти устройства селектируют (ответвляют) соответственно длины волн, относящиеся к подключенным соединениям доступа, и преобразуют затем длины волн отселектированного метро-сигнала нисходящей линии связи на общую для всех соединений доступа длину волны λD сигналов доступа нисходящей линии связи. Таким образом, метро-сигнал SλD1 нисходящей линии связи селектируется в первом устройстве МАР метро-подключения и преобразуется по длине волны в сигнал λD доступа нисходящей линии связи. В остальном сигналы остаются неизменными, так что они как логически прозрачные сигналы непосредственно передаются между центром ZEN управления и коммутации и оптическими сетевыми терминалами ONU. В предпочтительном с точки зрения затрат варианте сигналы нисходящей линии связи только усиливаются, а их длины волн сохраняются. Отдельные подключенные через разветвители широкополосные приемные схемы сетевых терминалов ONU принимают эти длины волн. Они реагируют на различные адреса и селектируют предназначенную для них информацию. Если дополнительные услуги передаются в другом диапазоне волн, то для всех ONU осуществляется селекция по длинам волн, которая, с одной стороны, охватывает все длины волн λD1, λD2, λD3, … для работы с центром ZEN управления и коммутации, а с другой стороны, другие услуги.
В направлении восходящей линии связи передача - после предшествующей синхронизации оптических сетевых терминалов - осуществляется также режим временного мультиплексирования согласно действительным для пассивных оптических сетей рекомендациям ITU или модифицированным рекомендациям. Блоки данных или пакеты данных, рассылаемые от сетевых терминалов OUT в распределенных им соответствующих временных сегментах, - в необходимом случае снабженные защитными интервалами - компонуются в TDM-сигнал и передаются в импульсном кадре восходящей линии связи. Они могут содержать, помимо полезной нагрузки (собственно передаваемых данных), еще дополнительную информацию относительно качества сигнала, требуемой ширины полосы, информации маршрутизации и т.д. Распределение ширины полосы или пропускной способности передачи может осуществляться центром ZEN управления и коммутации постоянным образом или изменяться динамически в зависимости от требований или приоритетов.
Метро-сигналы SλD1, SλD2, SλD3, … нисходящей линии связи могут преобразовываться в сигналы доступа нисходящей линии связи одной и той же длины волны λD или с неизмененной длиной волны передаются к блокам ONU. Все сигналы доступа λU1, λU2, λU3, … восходящей линии связи, которые передаются с одной и той же длиной волны λU по соединениям доступа, должны преобразовываться в метро-сигналы SλU1, SλU2, SλU3, … восходящей линии связи с различными длинами волн λU1, λU2, λU3, …, которые затем передаются по второй волоконной линии F2 метро-сети MET к центру ZEN управления и коммутации. «Логическое» преобразование сигналов восходящей линии связи также не производится, они остаются неизменными, вплоть до длины волны. Подытоживая, можно заключить, что передача между центром ZEN управления и коммутации и сетевыми терминалами ONU осуществляется непосредственно без логического преобразования соответственно применяемому протоколу PON.
Центр ZEN управления и коммутации соединен сетью WN дальней передачи трафика и/или с другими метро-сетями; через него проходят все соединения, например, соединения между двумя блоками ONU, подключенными к различным соединениям доступа АС1 и АС2.
1
По кольцевой сети и соединениям доступа может передаваться множество различных видов сигналов ZDλ (дополнительных услуг) в режиме мультиплексирования по длинам волн, из которых на фиг.1 показан только один сигнал ZDλ. Среди них также могут быть и различные широковещательные услуги. Вместо указанного для примера сигнала доступа, например λD, тогда должна передаваться группа различных длин волн по соединению доступа. Различные пользовательские устройства подключаются к сетевым терминалам ONU через демультиплексор длин волн.
Оптическая система передачи разработана для покрытия больших регионов, то есть посредством метро-сети могут перекрываться дальности порядка 70 км и посредством соединений доступа дальности порядка 30 км и более. Для этого в устройствах метро-подключения МАР1, МАР2, МАР3 предпочтительным образом предусмотрены 3R-регенераторы, которые регенерируют принятые сигналы по амплитуде, форме импульса и такту. На современном уровне техники для этого на стороне входа требуется оптико-электронное, а на стороне выхода - электронно-оптическое преобразование. Устройство метро-подключения, подключенное к центру ZEN управления и коммутации, может соответственно выполняться более просто, или соединение доступа АС4 может подключаться непосредственно к центру управления и коммутации.
1
Функция преобразования длин волн в устройствах МАР метро-подключения, как правило, комбинируется с функцией усиления. На фиг.2 показано принципиальное выполнение устройства МАР метро-подключения с оптико-электронно-оптическим преобразованием. Принятый оптический метро-сигнал нисходящей линии связи, например SλD1, посредством фотодиода PD преобразуется в электрический сигнал DS1, который усиливается усилителем V1 приема. Контур фазового регулирования (PPL) служит для восстановления тактового сигнала. Восстановленным тактовым сигналом TS осуществляется дискретизация электрического сигнала данных DS в устройстве AS взятия выборок. Дискретизированный и, таким образом, регенерированный электрический сигнал данных модулирует лазерный диод LD, генерирующий желательную новую длину волны. Сформированный таким образом сигнал λD нисходящей линии связи передается через усилитель LV мощности. В зависимости от скорости передачи данных, тракта передачи, включающего в себя элемент связи (ответвитель), и качества передающего и приемного устройств, по причинам экономии затрат, можно, в соответствующем случае, отказаться от 3R-регенерации, по меньшей мере, в направлении нисходящей линии связи и предусмотреть только усиление.
Для направления восходящей линии связи также имеется устройство регенерации. Как правило, в направлении восходящей линии связи принимаются импульсные сигналы, которые имеют различные уровни и различные фазы битов, а также паузы сигналов. Поэтому устройство регенерации, включая аналоговую приемную часть, должно выполняться при более высоких затратах. Регенераторы должны регенерировать пакеты данных по возможности полностью и без ошибок. Регенерация данных может и в данном случае проводиться (частично) оптическими регенераторами, причем для преобразования длин волн могут также использоваться нелинейные эффекты. Часто требуется 3R-регенерация. Между устройством подключения и центром ZEN управления и коммутации может также в направлении восходящей линии связи быть реализован двухточечный режим передачи, свободный от значительных колебаний фазы. В случае устройства МАР4 метро-подключения, расположенного вблизи центра ZEN управления и коммутации, можно, естественно, отказаться от регенерации.
На фиг.3 в качестве альтернативы представлена однонаправленная кольцевая сеть с волоконной линией F1 и несколькими устройствами МАР11-МАР13 метро-подключения, которые пригодны для однонаправленного разветвления и светвления. Метро-сигналы SλD1, SλD2, SλD3, … нисходящей линии связи селектируются соответственно их длинам волн в устройствах МАР11-МАР13 метро-подключения, усиливаются и пересылаются далее к блокам ONU. В направлении восходящей линии связи пакетные сигналы λU1, λU2, λU3,… восходящей линии связи в соответствии с длинами волн преобразуются в метро-сигналы SλU1, SλU2, SλU3, … восходящей линии связи с различными длинами волн соответственно с той же длиной волны, что и отселектированные метро-сигналы нисходящей линии связи, и вводятся в кольцо. Реализация представляется проще, чем в случае двунаправленного кольца. И в данном случае для целей защиты может быть предусмотрена вторая волоконная линия F2 (показана пунктиром), или волоконная линия F1, в целях защиты, используется для передачи в обоих направлениях.
Ссылочные позиции
MET
базовая метро-сеть
F1
первая волоконная линия
F2
вторая волоконная линия
ZEN
центральное устройство управления и коммутации (OLT)
AC1, AC2, AC3
соединения доступа
FI1, FI2, FI3
световоды доступа
MAP1, MAP2, MAP3
устройства метро-подключения
ONU
оптические терминалы (также ONT)
SP
разделитель
WN
сеть дальней передачи трафика
λD1
сигнал доступа нисходящей линии связи
λU1
сигнал доступа восходящей линии связи
SλD1, SλD2, …
метро-сигнал нисходящей линии связи
SλU1, SλU2, …
метро-сигнал восходящей линии связи
ZDλ
дополнительный сигнал