Форматы модуляции для оптических DWDM систем связи с канальной скоростью 40 и 100 Гбит/с

20 декабря 2011 г. 12:14

ТЕХНОЛОГИИ ИНФОРМАЦИОННОГО ОБЩЕСТВА

Форматы модуляции для оптических DWDM систем связи с канальной скоростью 40 и 100 Гбит/с

Быстрый рост цифрового трафика в сетях операторов связи подстегивает интерес к внедрению систем связи все большей производительности и емкости. Первый образец DWDM оборудования передачи информации с канальной скоростью 40 Гбит/с — агрегирующий транспондер АТР-40-4 производства НТО "ИРЭ-Полюс" успешно прошел испытания в лаборатории компании Т8' обеспечив безошибочную передачу сигнала 40 Гбит/с в одном DWDM канале на расстояние 1000 км. Для увеличения канальной скорости передачи информации до 100 Гбит/с надо использовал» многоуровневые форматы модуляции, которые позволяют уменьшить скорость передачи символов в несколько раз, так как скорость передачи символов ограничивается физическими факторами на уровне около 50 Гбод В докладе дан сравнительный анализ перспективных форматов модуляции и состояние разработок компонентов DWDM оборудования для канальной скорости 100 G.

Наний О.Е.,

МГУ им. М.В. Ломоносова

Трещиков В.Н.,

Компания Т8

Введение

В течение последних двух десятилетий наблюдается непрерывное увеличение спроса на пропускную способность оптических сетей связи. При этом за последние десять лет скорость роста потребностей в пропускной способности сетей существенно увеличилась благодаря развитию интернет и появлению большого числа приложений, требующих использования высокоскоростных линий связи (см. рис. 1, а). Доля цифрового трафика в общем трафике превысила 50% примерно в 2003 г. и в ностоящее время приблизилось к 90%! Большая часть этого трафика относится к мультимедийным приложениям, а скорость его роста определяется развитием электронных средств создания таких приложений.

Потребности операторов связи стимулируют предложение со стороны производителей систем связи все большей производительности и емкости. Однако, переоценка потребностей привела в 2000 г. к тому, что предлагаемая емкость систем связи существенно превысила потребности операторов В результате этого в течение нескольких следующих за 2000 г лет скорость роста емкости коммерческих систем связи значительно снизилась (см. рис 1,6). Вследствие чего в 2008 г. потребности трафика вновь превысили емкость коммерческих систем связи (в США) [ 1 ].

Рост емкости систем связи со спектральным мультиплексированием (WDM) обеспечивается ростом канальной скорости передачи информации, спектральной эффективности использования рабочих спектральных областей и дальности передачи без регенерации. В оптических системах связи с канальной скоростью до 10 Гбит/с преимущественно используются бинарные амплитудные форматы модуляции, однако, при увеличении канальной скорости до 40 Гбиг/с и особенно до 100 Гбит/с, требуется внедрение новых, более эффективных и менее чувствительных к искажениям форматов модуляции [2-7].

Фазовые форматы модуляции

в высокоскоростных системах связи

В отличие от амплитудных форматов при использовании фазовой модуляции информация кодируется значением фазы передаваемого импульса. В оптических системах связи с прямым детектирование из-за невозможности определения абсолютного значения фазы информация кадируетсяется относительным сдвигом фазы оптических несущих двух последовательных импульсов.

В приемнике такой фазовый сдвиг преобразуется в амплитудную модуляцию с использованием оптических линий задержки и интерференции сигнала с его же задкржанной (как правило на период) копией. Д ля обозначения этих форматов используется аббревиатура DPSK (Differential Phase Shift Keying). Для детектирования данных, закодированных в абсолютном значении фазы необходимо использовать когерентную демодуляцию полученного сигнала, поэтому его применение возможно только в когерентных системах связи (рис. 2).

1000000 100000 10000 1 1000 100

Суммарным тг

1М0 1М0 2000 2010 2020 гм

1. Рост трафика и емкости коммерческих систем связи: слева - компоненты трафика (голос, цифра) и суммарный трафик; справа - суммарный трафик и емкость коммерческих систем связи В период с 2000 по 2008 г. емкость коммерческих систем связи гревышапа потребности, в настоящее вре*/я суммсфный трафик превышает емкость гредлагаемых систем связи и разрыв увеличивается

76

T-Comm, #8-2011

ТЕХНОЛОГИИ ИНФОРМАЦИОННОГО ОБЩЕСТВА

34Ц!*рж*имыи сигмлл

(Ь Дифференциальная

Опорное иалучаии* (а» Когерентная демодуляция

fVc. 2 Способы преобразовспия фазовой модуляции в амплитудную. Когерентная демодуляция (а) преобразует фазовую модуляцию в амплитудную при когерентном сложении с опорным излучением Днфферещи-альная демодуляция (6) преобразует фазовую модуляцию в ампгмтудную при сложении сигнала с его задержанной копией

По простоте реализации для сетей связи со скоростью 40 Гбит/с наибольший практический интерес представляет дифференциальный бинарный фазовой формат модуляции (DBPSK). В DBPSK информация содержится в разности фаз между двумя последовательными импульсами, которая может принимать только два значения: 0 и пи. Важное преимущество NRZ DBPSK формата перед амплитудными заключается в более высокой чувствительности (примерно на 3 дБ по сравнению с бинарными амплитудными форматами) при использовании балансного приемника. Кроме того, формат DBPSK меньше подвержен нелинейным искажениям, чем амплитудные форматы модуляции. Эти достоинства NRZ DBPSK формата определили его широкое распространение в системах связи с канальной скоростью 40 Гбит/с

Недавно в лаборатории компании "Т8" успешно прошел испытания первый образец российского DWDM оборудования передачи информации с скоростью 40 Гбиг/с — агрегирующий транспондер АТР-40-4 производства НТО "ИРЭ-Полюс". Испытания доказали пригодность российского DWDM оборудования 40 Гбит/с для использования в магистральных сетях российских операторов связи. Продемонстрировано безошибочная работа DWDM оборудования АТР-40-4 в модельной линии связи длиной 1 ООО км (рис.3), параметры которой, были выбраны так, чтобы соответствовать наиболее сложным линиям связи российских операторов, как по длине усилительных учостков, так и по общей протяженности линии без регенерации огтгжеских сигналов [8,9].

Однако, скорость передачи символов ограничивается физическими факторами на уровне около 50 Гбод что не позволяет использовать бинарный фазовый формат ОВРБК в системах связи с канальной скоростью 100 Гбит/с Поэтому, для увеличения канальной скорости передачи информации до 100 Гбит/с надо использовать многоуровневые форматы модуляции, которые позволяют уменьшить скорость передачи символов в несколько раз.

Многоуровневые форматы модуляции

Простейшим в реализации многоуровневым форматом модуляции является дифференциальный четырехуровневый фазовый формат (СОРБК). Емкость этого формата — 2 бит/символ, что позволяет обеспечить скорость передачи информации 100 Гбит/с при скорости передачи символов 50 Гбод. Четырехуровневый фазовый формат (ОРБК) может был» использован также в сочетании с когерентным приемником. В этом случое целесообразно использовать поляризационное мультиплексирование, при этом емкость ОР5К формата с двумя поляризациями [0Р ОРБК) возрастает до 4 бит/ символ (см. рис.4), что позволяет обеспечить скорость передачи информации 100 Гбит/с при скорости передачи символов 25 Гбод.

Передатчики для СХЭР$К и ОР5К (когерентного) форматов одинаковы. Они формируют четыре различных сдвига фазы: 0Д/2Д и Згс/2. Для реализации ООРЭК/ОРБК передатчика чаще используется квадратурный модулятор (ОМ) (см. рис-5 слева), но возможна реализация с использованием модуляторов Маха-Цендера в сочетании с фазовым модулятором (Од) (см. рис.5 справа). В передатчике для СХЗР5К формата требуется предварительная кодировка информационной последовательности.

Основное преимущество СХЭРБК перед когерентными форматами — более простой приемник, в котором не требуется опорный лазер (рис 6). Также отсутствует необходимость в контроле поляризации. Формат менее чувствителен к фазовому шуму (нелинейному или связанному с конечной полосой передающего лазера).

Когерентные системы связи позволяют реализовывать любые многоуровневые форматы модуляции, обеспечивая увеличение асо-

Передача 40G На 1000 км

EAUJO EMMQ ели-»

->-г~ к>-@—{> нззз—cF—О)

FVc. 3. Схема экспериментальной установки Моде/ъмая линия связи состоит из 10 участков по 100 км стсцдартносо волокна (SSMF), пхле девяти участков установлены компенсаторы дисперсии (DCF), осуществляющие патую компенсацию дисперсии участков. На последнем участке установлен дополнительный перестрс*еое**>м модуль DCF В одноканально м режиме два установленных в г***<и DWDM мультиплексора выгкиияют спектральную фильтрац ию сигнала

T-Comm, #8-2011

77