СПОСОБ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ ПО ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИМ ЛИНИЯМ СВЯЗИ C РАСПРЕДЕЛЕННЫМИ УЗЛАМИ ДОСТУПА
METHOD OF TRANSMITTING INFORMATION OVER FIBER-OPTIC COMMUNICATION LINES WITH DISTRIBUTED ACCESS NODES

Область применения
Изобретение относится к системам передачи информации по волоконно-оптическим линиям связи (ВОЛС) с узлами доступа, распределенными вдоль межстанционных участков, соединяющих оконечные станции.
Уровень техники
На технологических сетях связи различных ведомств (ОАО «РЖД», ПАО «Газпром», АО «Связьтранснефть» и др.) используются волоконно-оптические линии связи (ВОЛС) с большим числом узлов доступа, распределенных на межстанционных участках. При выключенном электропитании узлы доступа находятся в пассивном состоянии, и связь от абонентских терминалов этих узлов с оконечными станциями не производится. При включенном электропитании узлы доступа находятся в активном состоянии, и производится связь от абонентских терминалов с оконечными станциями участка. Возможность организации связи от каждого активного узла доступа в принципе должна обеспечиваться в направлениях к обеим станциям, установленным в начальной и конечной точках участка ВОЛС. Количество узлов доступа на межстанционном участке ВОЛС определяется длиной участка и заданными интервалами между узлами доступа.
Максимальная протяженность межстанционного участка ВОЛС с распределенными узлами доступа ограничивается энергетическим бюджетом ВОЛС. Современные устройства передачи/приема оптических сигналов обеспечивают величину энергетического бюджета порядка 35-37 дБ. Практически, с учетом обеспечения необходимого эксплуатационного запаса, обычно принимается в расчет величина энергетического бюджета ВОЛС ~30 дБ. Энергетический бюджет ВОЛС расходуется на компенсацию потерь, вносимых оптическим кабелем, и компенсацию потерь в устройствах подключения узлов доступа.
Потери энергетического бюджета, вносимые оптическим кабелем, возрастают пропорционально увеличению длины межстанционного участка, а, следовательно, уменьшается часть энергетического бюджета, которая может быть использована для подключения узлов доступа. В то же время требуемое количество узлов доступа возрастает с увеличением длины межстанционного участка ВОЛС. В случае невозможности организации заданного количества узлов доступа, подключенных к одному оптическому волокну (вследствие ограничений по энергетическому бюджету), необходимо использовать дополнительные оптические волокна с разделением общего числа узлов доступа на группы, подключаемые к различным оптическим волокнам.
Таким образом, техническая проблема состоит в необходимости снижения потерь энергетического бюджета ВОЛС с распределенными узлами доступа. Решение этой технической проблемы обеспечивает:
- увеличение количества узлов доступа, подключенных к одному оптическому волокну;
- увеличение предельной длины межстанционного участка ВОЛС;
- уменьшение числа оптических волокон для организации связи при заданном количестве узлов доступа;
- сокращение объема станционного оборудования ВОЛС, который пропорционально связан с числом задействованных оптических волокон.
Потери энергетического бюджета, возникающие в устройствах подключения узлов доступа, зависят от используемого способа передачи информации по ВОЛС с распределенными узлами доступа.
Известен способ передачи информации по ВОЛС с узлами доступа, распределенными вдоль межстанционных участков и имеющими по два порта - первый порт для связи с первой оконечной станцией участка и второй порт для связи со второй оконечной станцией участка, основанный на технологии CWDM (Coarse Wavelength Division Multiplexing) в соответствии с Рекомендацией G.694.2 МСЭ-Т [1]. На прилагаемом чертеже (фиг. 1) представлена схема организации связи на основе технологии CWDM. Передача информации производится с использованием 16 длин волн, расположенных в диапазоне 1310-1610 нм с интервалом 20 нм. Для каждого узла доступа выделяются две длины волны: одна для приема сигнала от станции 1 или 2, а вторая для передачи сигнала от узла доступа к станциям. При этом для связи узлов доступа 8, 9 с двумя станциями участка ВОЛС требуются два оптических волокна 4. В составе станционного оборудования содержится пакетный коммутатор 3 и оптический мультиплексор-демультиплексор 18 спектра CWDM.
Подключение узлов доступа к оптическому волокну производится через оптические мультиплексоры ввода/вывода OADM (Optical Add/Drop Multiplexer) 19, выполняющие ответвление двух спектральных составляющих линейного сигнала с длинами волн, присвоенными для данного узла доступа, и транзит остальной части спектра линейного сигнала. Это спектральное разветвление выполняется постоянно, независимо от активного или пассивного состояния узлов доступа.
Затухание спектральных составляющих линейного сигнала в мультиплексорах OADM обычно не превышает 0,7-0,8 дБ как в направлении ответвления, так и в направлении транзитного прохода, т.е. подключение восьми узлов доступа вносит потери энергетического бюджета 5-6 дБ. Однако, необходимо отметить, что при технологии CWDM волновой диапазон (16 длин волн) ограничивает количество узлов доступа, подключенных к одному оптическому волокну, до восьми. Это препятствует полному использованию энергетического бюджета ВОЛС для увеличения числа узлов доступа на межстанционном участке, что фактически приводит к потерям неиспользованной части энергетического бюджета ВОЛС.
При энергетическом бюджете ВОЛС ~30 дБ, километрическом затухании линейного кабеля до 0,5 дБ/км и интервале между узлами доступа 1 км, на участке длиной 25 км для подключения 24 узлов доступа требуются 6 оптических волокон. При длине участка 35 км для связи 34 узлов доступа с двумя станциями участка требуется использовать 8-10 оптических волокон, а при длине участка 50 км для связи 49 узлов доступа с двумя станциями участка требуется использовать 12-14 оптических волокон.
Недостатком способа, основанного на технологии CWDM, является существенная величина потерь энергетического бюджета, обусловленных неполным его использованием на межстанционных участках из-за ограниченного волнового диапазона. Вследствие этого возникает потребность в значительном количестве оптических волокон для связи с распределенными узлами доступа. Кроме того, в составе станционного оборудования, реализованного на основе технологии CWDM, требуются оптические мультиплексоры-демультиплексоры для объединения спектральных составляющих линейного сигнала на передаче и разделения на приеме. Количество таких устройств равно числу используемых оптических волокон на участке ВОЛС. В результате на длинных участках ВОЛС существенно возрастает объем станционного оборудования CWDM.
Наиболее близким к заявляемому способу является способ передачи информации по ВОЛС с узлами доступа, распределенными вдоль межстанционных участков и имеющими по два порта - первый порт для связи с первой оконечной станцией участка и второй порт для связи со второй оконечной станцией участка, основанный на технологии GPON (Gigabit Passive Optical Network) в соответствии с Рекомендациями G.984.2 и G.984.3 МСЭ-Т [2], [3]. На прилагаемом чертеже (фиг. 2) представлена схема организации связи на основе технологии GPON. Передача информации от станции 1 или 2 к узлам доступа 8, 9 производится на одной длине волны (например, 1310 нм), а передача информации от узлов доступа к станции производится на другой длине волны (например, 1490 нм). При этом для связи узлов доступа с двумя станциями участка ВОЛС требуется два оптических волокна 4. Линейный сигнал от станционного оборудования ВОЛС, содержащего сервер 16 и пакетный коммутатор 3, поступает ко всем узлам доступа, но его прием, обработка и передача ответных сообщений выполняются только при активном состоянии узла и при совпадении адреса узла с адресом принятого сообщения.
Подключение узлов доступа к оптическому волокну производится через оптические разветвители (сплиттеры) 17, выполняющие ответвление части энергии сигнала в узел доступа и транзитный проход остальной части энергии линейного сигнала к другим узлам доступа. Это разветвление линейного сигнала выполняется постоянно, независимо от активного или пассивного состояния узла доступа, т.е. от включенного или выключенного состояния источника электропитания узла доступа.
Потери энергетического бюджета, обусловленные подключением узлов доступа, зависят от коэффициентов ответвления части энергии линейного сигнала в узлы доступа. В основном используются оптические разветвители с коэффициентами ответвления 5%, 10% и т.д. до 50%, имеющие затухание ответвления соответственно 15,2 дБ, 11,3 дБ и т.д. до 3,6 дБ, а затухание транзитного прохода соответственно 0,45 дБ, 0,6 дБ, и т.д. до 3,6 дБ. Для минимизации потерь энергетического бюджета, вносимых узлами доступа в одном оптическом волокне, ближайшие к станции узлы доступа (имеющие высокий уровень линейного сигнала) должны подключаться через разветвители с минимальным коэффициентом ответвления, а по мере удаления узлов доступа от станции (а следовательно - при снижении уровня линейного сигнала) требуется использовать разветвители с возрастающими коэффициентами ответвления.
Количество узлов доступа, имеющих минимальный коэффициент ответвления, ограничивается снижением уровня линейного сигнала до величины меньшей, чем затухание ответвления, вносимое разветвителем с коэффициентом 5%. При этом в следующем узле доступа должен использоваться разветвитель с коэффициентом ответвления 10%. Аналогичным образом ограничивается число узлов доступа с коэффициентом 10% и т.д. Максимально допустимое число узлов доступа в одном оптическом волокне зависит от энергетического бюджета ВОЛС (~30 дБ), километрического затухания линейного кабеля (как правило, не более 0,5 дБ/км) и величины интервала между узлами доступа.
Обычно на технологических линиях связи интервал между узлами доступа составляет величину порядка 1 км. При интервале между узлами доступа 1 км, при оптимальном выборе коэффициентов ответвления линейного сигнала в диапазоне от 5% до 50% и при равномерном распределении узлов доступа на участке ВОЛС к одному оптическому волокну можно подключить до 24 узлов доступа. Это количество складывается из предельного числа узлов доступа с коэффициентом ответвления 5% (а именно - 16, поскольку в точке подключения следующего узла уровень линейного сигнала 14,3 дБ меньше величины затухания ответвления 15,2 дБ), трех узлов доступа с коэффициентом 10% и т.д. При этом длина участка ВОЛС составляет 25 км. При длине участка 35 км потери энергетического бюджета приводят к ограничению числа узлов доступа, подключаемых к одному оптическому волокну, до 16. Поэтому для связи 34 узлов доступа с двумя станциями участка требуется использовать 4-6 оптических волокон. При длине участка 50 км число узлов доступа, подключаемых к одному оптическому волокну, сокращается до четырех, а для связи 49 узлов доступа с двумя станциями участка требуется использовать 24-26 оптических волокон.
В качестве примера можно привести следующие данные разработок оптических систем перегонной связи для сетей РЖД, проводимых институтом "Гипротранссигналсвязь" (ГТСС), г. СПб [4]. В проекте ГТСС, осуществленном на основе технологии GPON приведены следующие данные: - на межстанционном участке протяженностью 26,0 км (между станциями Глубокое-Новое и Сия) для подключения 26 узлов доступа (распределенных с интервалом 1 км) предусматривается использование 6 оптических волокон; - на участке длиной 39,4 км (между станциями Лодьма и Луковецкий) для подключения 39 узлов доступа количество оптических волокон составляет 16; - на участке длиной 45,5 км (между станциями Сия и Карпогоры) для подключения 46 узлов доступа количество оптических волокон составляет 26. Недостатком такого способа, основанного на технологии GPON, является существенная величина потерь энергетического бюджета при разветвлении линейного сигнала в точках подключения узлов доступа. Вследствие этого возникает потребность в значительном количестве оптических волокон, что ограничивает использование данного способа, основанного на технологии GPON. При этом на длинных участках ВОЛС (более 25 км) также существенно возрастает объем станционного оборудования пропорционально числу задействованных оптических волокон. Кроме того, усложнение станционного оборудования GPON связано с потребностью в специальном сервере для управления очередностью работы узлов доступа в зависимости от временных задержек сигнала в оптическом линейном тракте.
Краткое описание
Задачей изобретения является разработка способа передачи информации по ВОЛС с распределенными узлами доступа.
Технический результат при использовании предлагаемого способа передачи информации по ВОЛС с распределенными узлами доступа заключается в существенном снижении потерь энергетического бюджета ВОЛС (по сравнению с технологией GPON), что обеспечивает значительное уменьшение требуемого числа оптических волокон для связи оконечных станций участка ВОЛС с распределенными узлами доступа и сокращение объема станционного оборудования ВОЛС.
Технический результат достигается в изобретении за счет того, что:
- производится передача линейного сигнала в обход узлов доступа при выключенном электропитании, без ответвления части энергии линейного сигнала в эти узлы доступа;
- производится подключение линейного сигнала двух направлений связи к узлам доступа при включенном электропитании;
- производится ретрансляция линейного сигнала с вводом/выводом информации в узлах доступа при включенном электропитании, что обеспечивает восстановление уровня линейного сигнала до начальной величины, т.е. полную компенсацию потерь энергетического бюджета, вызванных затуханием линейного сигнала при прохождении по ВОЛС до точки подключения данного узла доступа.
Схема организации связи на основе предлагаемого способа представлена на фигуре 3. На фигурах 1 и 2 представлены схемы организации связи соответственно на основе технологий CWDM и GPON. На всех схемах используются следующие обозначения позиций:
Позиция 1 - станция А (первая оконечная станция участка ВОЛС);
Позиция 2 - станция Б (вторая оконечная станция участка ВОЛС);
Позиция 3 - станционный пакетный коммутатор с оптическими портами;
Позиция 4 - оптическое волокно на участке ВОЛС;
Позиция 5 - абонентский терминал узла доступа;
Позиция 6 - источник электропитания в выключенном состоянии;
Позиция 7 - источник электропитания во включенном состоянии;
Позиция 8 - узел доступа в пассивном состоянии;
Позиция 9 - узел доступа в активном состоянии;
Позиция 10 - первый порт узла доступа (для связи со станцией А);
Позиция 11 - пакетный коммутатор узла доступа;
Позиция 12 - второй порт узла доступа (для связи со станцией Б);
Позиция 13 - оптический переключатель в положении передачи линейного сигнала в обход узла доступа;
Позиция 14 - оптический переключатель в положении отведения линейного сигнала к портам узла доступа;
Позиция 15 - вход управления оптического переключателя;
А, Б - направление связи от абонентского терминала узла доступа к станции А или станции Б участка ВОЛС (соответственно);
λ1 - длина волны оптического линейного сигнала, принимаемого узлом доступа от станции А и передаваемого к станции Б;
λ2 - длина волны оптического линейного сигнала, принимаемого узлом доступа от станции Б и передаваемого к станции А;
Позиция 16 - сервер;
Позиция 17 - оптический разветвитель (сплиттер);
Позиция 18 - оптический мультиплексор-демультиплексор спектра CWDM;
Позиция 19 - оптический мультиплексор ввода/вывода;
λN - длина волны спектра CWDM (N≤16).
Подробное описание изобретения
Предлагаемый способ передачи информации по ВОЛС с распределенными узлами доступа свободен от указанных в аналогах недостатков.
На прилагаемом чертеже (фиг. 3) представлена схема организации связи на основе предлагаемого способа передачи информации по волоконно-оптическим линиям связи с узлами доступа, распределенными вдоль межстанционных участков и имеющими по два порта - первый порт для связи с первой оконечной станцией участка и второй порт для связи со второй оконечной станцией участка. На участке ВОЛС между станциями 1 и 2 подключение узлов доступа к оптическому волокну 4 и транзитный обход узлов доступа производится с использованием оптических переключателей 13, 14. При выключенном источнике питании 6 узел доступа 8 находится в пассивном состоянии, а оптический переключатель 13 находится в положении, обеспечивающем обход линейного сигнала без ответвления в узел доступа 8. При включенном источнике питания 7 узел доступа 9 находится в активном состоянии, а оптический переключатель 14 находится в положении подключения линейного сигнала обоих направлений связи к узлу доступа. В узле доступа 9 пакетным коммутатором 11 производится ретрансляция линейного сигнала, принимаемого первым портом 10 узла доступа, в направлении передачи второго порта 12, ретрансляция линейного сигнала, принимаемого вторым портом 12 узла доступа, в направлении передачи первого порта 10, а также - ввод и вывод информации, относящейся к абонентскому терминалу данного узла доступа.
Передача линейного сигнала от станции А участка ВОЛС в направлении к станции Б производится на одной длине волны λ1 (например, 1310 нм), а передача информации в обратном направлении производится на другой длине волны λ2 (например, 1490 нм). Для сохранения длины волны линейного сигнала при переключении из режима обхода узла доступа в режим ретрансляции в составе узлов доступа используются оптические приемо-передатчики с соответствующим распределением длин волн, при котором первый линейный порт 10 выполняет прием оптического линейного сигнала на длине волны λ1 и передачу на длине волны λ2, а второй линейный порт 12 выполняет прием оптического линейного сигнала на длине волны λ2 и передачу на длине волны λ1.
Указанный способ по существу отличается тем, что:
- в волоконно-оптическую линию связи введены оптические переключатели, соединенные с выходами источников электропитания узлов доступа и выполняющие передачу линейных сигналов в обход узлов доступа при выключенном электропитании или подключение линейных сигналов двух направлений связи к первому и второму портам узлов доступа при включенном электропитании;
- в каждый узел доступа введен пакетный коммутатор, обеспечивающий ретрансляцию линейного сигнала, принимаемого первым портом узла доступа, в направлении передачи второго порта, ретрансляцию линейного сигнала, принимаемого вторым портом узла доступа, в направлении передачи первого порта, а также - ввод и вывод информации, относящейся к абонентскому терминалу данного узла доступа;
- в узлах доступа, при включенном электропитании, первый порт выполняет прием оптического линейного сигнала на длине волны λ1 и передачу на длине волны λ2, а второй порт выполняет прием оптического линейного сигнала на длине волны λ2 и передачу на длине волны λ1.
Таким образом, производится передача линейного сигнала в обход узлов доступа, находящихся в пассивном состоянии, подключение линейного сигнала обоих направлений связи к узлам доступа при их переходе в активное состояние и ретрансляция линейного сигнала с вводом/выводом информации в узлах доступа, находящихся в активном состоянии.
При обходе узлов доступа, находящихся в пассивном состоянии, достигается значительное снижение потерь энергетического бюджета ВОЛС в точках подключения узлов доступа. Подключение линейного сигнала обоих направлений связи к узлам доступа при их переходе в активное состояние и ретрансляции линейного сигнала в этих узлах обеспечивает восстановление уровня линейного сигнала до начальной величины, т.е. полную компенсацию потерь энергетического бюджета, вызванных затуханием линейного сигнала при прохождении по ВОЛС до точки подключения данного узла доступа.
Достигаемое снижение потерь энергетического бюджета ВОЛС позволяет увеличить количество узлов доступа, подключенных к одному оптическому волокну. В результате уменьшается число оптических волокон для связи с требуемым количеством узлом доступа на межстанционном участке, а также сокращается объем станционного оборудования ВОЛС, связанный с числом задействованных оптических волокон.
Следует отметить, что при использовании предлагаемого способа для связи узлов доступа с двумя станциями участка ВОЛС требуется одно оптическое волокно, а не два волокна, как в указанных аналогах. В составе станционного оборудования ВОЛС в данном случае требуется только пакетный коммутатор 3, но не требуется сервер для управления узлами доступа, как в варианте GPON, и не требуются оптические мультиплексоры, как в варианте CWDM.
Затухание сигнала в серийно выпускаемых оптических переключателях обычно не превышает 0,5-0,6 дБ как в положении подключения линейного сигнала к узлу доступа, так и в положении передачи линейного сигнала в обход узла доступа. При энергетическом бюджете ВОЛС ~30 дБ, километрическом затухании линейного кабеля до 0,5 дБ/км и интервале между узлами доступа 1 км для подключения 24 узлов доступа на участке длиной 25 км в случае использования предлагаемого способа требуется только одно оптическое волокно, а не 2-6 волокон, как в указанных аналогах. При длине участка 35 км для связи узлов доступа с двумя станциями участка достаточно использовать два оптических волокна, а не 4-6 волокон (как при способе GPON) или 8-10 волокон (как при способе CWDM). При длине участка 50 км для связи узлов доступа с двумя станциями участка достаточно использовать 7 оптических волокон, а не 24-26 волокон (как при способе GPON) или 12-14 волокон (как при способе CWDM).
Таким образом, при использовании предлагаемого способа передачи информации по ВОЛС с распределенными узлами доступа достигается существенное снижение потерь энергетического бюджета ВОЛС. В результате уменьшается требуемое число оптических волокон, по сравнению с указанными известными аналогами: в два раза на участках длиной до 25 км и до четырех раз на участках длиной до 50 км. Объем станционного оборудования значительно сокращается в связи с тем, что уменьшается количество задействованных оптических волокон, а также не требуется сервер для управления очередностью работы распределенных узлов доступа, как в варианте GPON, и не требуются станционные оптические мультиплексоры, как в варианте CWDM.
Библиография
1. Рекомендация МСЭ-Т G.984.2 Спектральные сетки для применения технологий WDM: сетка длин волн технологии CWDM. Международный союз электросвязи, 12/2003.
2. Рекомендация МСЭ-Т G.984.2 Пассивные волоконно-оптические сети с поддержкой гигабайтных скоростей передачи (GPON): Спецификация зависимого от физической среды (PMD) уровня. Международный союз электросвязи, 03/2003.
3. Recommendation ITU-T G.983.3 Gigabit-capable passive optical networks (G-PON): Transmission Convergencelayer Speeification. International Telecommunication Union, 01/2014.
4."Модернизация линии связи на участке Архангельск-Карпогоры Северной железной дороги" (рабочий номер проекта 311607-04) - Гипротранссигналсвязь, СПб, 2016 г.