ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА СВЯЗИ
FIBRE-OPTIC COMMUNICATION SYSTEM

Изобретение относится к области волоконно-оптических систем передачи информации, а именно к когерентным системам связи со спектральным мультиплексированием.
Заявленная волоконно-оптическая система связи может быть использована для передачи информации на расстояние от нескольких километров до нескольких десятков тысяч километров и может входить в состав магистральных межконтинентальных, региональных, межгородских и городских систем связи, может использоваться в общественных и корпоративных сетях связи, а также в сетях связи специального назначения.
Известна система связи, предназначенная для передачи информации по линиям связи длиной от нескольких километров до нескольких десятков тысяч километров. Система включает в себя множество m согласованных по частоте пар оптических передатчиков и приемников, спектральный объединитель (мультиплексор), объединяющий спектральные полосы, центры которых образуют фиксированную сетку частот, линию связи, спектральный делитель (демультиплексор), разделяющий спектральные полосы, центры которых образуют фиксированную сетку частот с постоянным периодом ΔΩфт (О.Е. Наний. Основы технологии спектрального мультиплексирования каналов передачи (DWDM). Lightwave Russian Edition, 2004, №2, стр. 47-52).
Система обеспечивает увеличение в m раз пропускной способности волоконно-оптической линии связи по сравнению с одноканальными системами связи. Недостатками данной системы связи являются относительно малые спектральная и энергетическая эффективность системы связи.
Спектральная эффективность Cf [(бит/с)/Гц] определяет скорость передачи информации в единичном спектральном интервале (скорость передачи информации измеряется в [бит/с], а спектральный интервал измеряется в [Гц]). В рассматриваемом аналоге спектральная эффективность не превышает 1 (бит/с)/Гц. Второй недостаток - ограниченная величина энергетической эффективности, которая определяется требуемым для работы системы связи отношением мощности сигнала на приемнике к мощности шума.
Известна система связи (Наний О.Е., Новиков А.Г., Плоцкий А.Ю., Трещиков В.Н., Убайдуллаев Р.Р. Характеристики многопролетной системы DWDM с каналами 40 Гбит/с DPSK в сетке 50 ГГц // Электросвязь. 2012. №6. С. 40-43.), в которой используется дифференциальный фазовый формат модуляции (DPSK), обеспечивающий увеличение энергетической эффективности на 3 дБ по сравнению с системами связи на основе амплитудной модуляции и прямого детектирования. Однако спектральная эффективность по-прежнему не превышает 1 бит/Гц.
В качестве ближайшего аналога (прототипа) выбрана система связи, содержащая множество согласованных по частоте пар когерентных оптических передатчиков и приемников, спектральный объединитель (мультиплексор), объединяющий спектральные полосы, центры которых образуют фиксированную сетку частот, линию связи, спектральный делитель (демультиплексор), разделяющий спектральные полосы, центры которых образуют фиксированную сетку частот с постоянным периодом ΔΩфт (Наний О.Е., Трещиков В.Н. Новое поколение DWDM-систем связи. Фотон-экспресс. 2014. №4 (116). С. 18-23). За счет использования когерентного приема в прототипе удается существенно увеличить энергетическую эффективность.
Недостатком известного устройства (прототипа) является ограниченная величина спектральной эффективности, которая составляет величину порядка 2 бит/Гц при использовании наиболее перспективного по сочетанию энергетической и спектральной эффективности формата - формата DP QPSK с когерентным детектированием.
Задача изобретения - создание волоконно-оптической системы связи со сбалансированным сочетанием спектральной и энергетической эффективности.
Техническим результатом изобретения является повышение спектральной эффективности системы при одновременном упрощении конструкции.
Поставленная задача и заявленный технический результат при осуществлении изобретения достигаются тем, что в волоконно-оптической системе связи, включающей оптически соединенные линией связи мультиплексор с N входами, предназначенный для спектрального мультиплексирования N спектральных полос, образующих сетку DWDM частот в стандартизованном спектре ITU с расстоянием 100 ГГц, и демультиплексор с N выходами, предназначенный для спектрального демультиплексирования N спектральных полос, образующих идентичную мультиплексору сетку DWDM частот, и набор согласованных пар когерентных оптических передатчиков и приемников с когерентным детектированием, выходы и входы которых соответственно оптически соединены с входами мультиплексора и выходами демультиплексора, оптические соединения передатчиков и приемников с мультиплексором и демультиплексором выполнены в виде N неселективных объединителей с тремя входами и одним выходом, оптически соединенными входами с передатчиками по трое - одному центральному и двум периферийным - с образованием идентичных мультиплексору спектральных полос, и выходами - с соответствующими входами мультиплексора, и N неселективных разъединителей с тремя выходами и одним входом, оптически соединенными выходами с приемниками по трое - одному центральному и двум периферийным - с образованием идентичных демультиплексору спектральных полос, и входами - с соответствующими выходами демультиплексора, а передатчики и приемники выполнены так, что центральные передатчики и приемники образуют сетку DWDM частот, идентичную сетке частот соответственно мультиплексора и демультиплексора, кроме того, в каждой тройке периферийные передатчики и приемники оппозитно сдвинуты по частоте относительно центральных на величину 33, (3) ГГц или в каждой тройке периферийные передатчики и приемники оппозитно сдвинуты по частоте относительно центральных на величину от 28 до 33,3 ГГц, при этом неселективные объединители выполнены с возможностью сохранения поляризации входного излучения, передатчики в тройках, соединенных с ними, ориентированы так, что оси поляризации их излучения расположены под углами 120 градусов относительно друг друга, или неселективные объединители выполнены сохраняющими поляризацию входного излучения, передатчики в соединенных с ними тройках ориентированы так, что оси поляризации их излучения параллельны, а между двумя выходами двух из каждой тройки передатчиков и соответствующими им входами тройников объединителей введены устройства поворота плоскости поляризации на угол ±120 градусов, предпочтительно, что центральные передатчики в каждой тройке выполнены с мощностью излучения меньшей мощности излучения периферийных передатчиков на величину от 0,5 дБ до 3,5 дБ, допускается, что приемники и передатчики выполнены с возможностью кодирования и декодирования сигнала с использованием формата DP QPSK со скоростью передачи полезной информации 100 Гбит/с, предпочтительно, что приемники и передатчики выполнены с возможностью кодирования и декодирования информации с использованием кодов с исправлением ошибок и мягким принятием решений SoftFEC, особенно когда тройки приемников и передатчиков выполнены с обратной связью, предназначенной для осуществления сдвига по частоте соответственно периферийных приемников и передатчиков относительно центральных и сигналом расстройки для которой является разность значений коэффициентов ошибок до момента исправления BER до FEC.
Изобретение иллюстрируется изображением (Фиг.), где показана схема одной из возможных реализаций заявленной волоконно-оптической системы связи.
Волоконно-оптическая система связи включает в себя множество согласованных по частоте пар когерентных оптических передатчиков (1) и приемников (2). 3N передатчиков объединены в группы по три. Выходы оптических передатчиков каждой группы соединены со входами объединителей 3×1 (3), выходы которых соединены со входами спектрального мультиплексора (4). Спектральный мультиплексор (4), объединяет N входных сигналов со спектрами, соответствующими N спектральным полосам, центры которых образуют фиксированную сетку частот. Выход мультиплексора (4) соединен с входом усилителя мощности (5), выход которого соединен с входом оптической линии связи (6), содержащей один или более усилительных пролетов, каждый из которых содержит отрезок телекоммуникационного волокна (7), и компенсирующий потери в волокне линейный усилитель (8). Выход оптической линии связи (6) соединен с входом демультиплексора (9), разделяющего входное излучение на N спектральных полос, центры которых образуют фиксированную сетку частот с постоянным периодом ΔΩфт, причем сигналы каждой спектральной компоненты подаются на отдельные выходы. Каждый из N выходов спектрального демультиплексора соединен с входом делителя 1×3 (10). Каждый из трех выходов каждого из N делителей соединен с одним из 3N когерентных приемников (2). Рабочие частоты когерентных приемников совпадают с рабочими частотами соответствующих им передатчиков. Ширина полосы электрического фильтра когерентного приемника меньше минимальной разности частот между соседними каналами согласованных пар передатчиков и приемников.
Устройство работает следующим образом.
В (3×N) передатчиках (1) формируются (3×Ν) информационных каналов. Группы по трем каналам с соседними частотами объединяются спектрально неселективными объединителями (3×1) (3), выходные волокна которых подаются на спектральный мультиплексор (4). Спектральный мультиплексор (4) объединяет в одном выходном волокне N спектральные полосы, в каждой из которых передаются три информационных канала. На одном волоконном выходе мультиплексора (4), таким образом, объединяются (3×Ν) информационных канала от передатчиков (1), тем самым формируется объединенный оптический информационный сигнал.
Объединенный оптический информационный сигнал, содержащий (3×Ν) информационных каналов от передатчиков (1), после усиления усилителем мощности (5) вводится в волоконно-оптическую линию связи (6).
После прохождения волоконно-оптической линии связи (6) объединенный оптический информационный сигнал поступает на демультиплексор (9), который делит его на N спектральных полос, каждая из которых поступает на свой волоконный выход. В каждой спектральной полосе передаются по три информационных канала.
Каждый из N выходов спектрального демультиплексора соединен с входом делителя 1×3 (10). Каждый из трех выходов каждого из N делителей соединен с одним из 3Ν когерентных приемников (2). Таким образом, на каждый из 3Ν когерентных приемников (2) поступают три информационных канала, но поскольку рабочие частоты когерентных приемников совпадают с рабочими частотами соответствующих им передатчиков, а ширина полосы электрического фильтра когерентного приемника меньше минимальной разности частот между соседними каналами согласованных пар передатчиков и приемников, каждый приемник детектирует только один информационный сигнал от согласованного с ним передатчика.
Таким образом, 3N когерентных передатчиков (1) передают, a 3N когерентных приемников (2) принимают 3N независимых потоков информации.
Далее приведем ряд сравнений с прототипом для пояснения физического смысла заявленного технического результата.
Предложенное устройство отличается от прототипа тем, что оптические соединения передатчиков и приемников с мультиплексором и демультиплексором выполнены в виде 2N неселективных объединителей, из которых N неселективных объединителей выполнены с тремя входами и одним выходом и предназначены для оптического соединения входами с передатчиками по трое с образованием идентичных мультиплексору спектральных полос и выходами - с соответствующими входами мультиплексора, и N неселективных объединителей выполнены с тремя выходами и одним входом и предназначены для оптического соединения выходами с приемниками по трое с образованием идентичных демультиплексору спектральных полос и входами - с соответствующими выходами демультиплексора, а передатчики и приемники выполнены так, что по одному из каждой соединенной общим неселективным объединителем тройки передатчиков и приемников образуют сетку DWDM частот, идентичную сетке частот соответственно мультиплексора и демультиплексора.
Данный отличительный признак обеспечивает увеличение спектральной эффективности в три раза по сравнению с прототипом, т.к. в предложенном техническом решении три независимых информационных канала передаются в пределах одной спектральной полосы мультиплексора/демультиплексора (в прототипе передается один информационный канал). В отличие от прототипа, в предложенном устройстве на каждый приемник поступают три информационных канала, однако когерентный приемник позволяет при детектировании выделить только один информационный канал. Это достигается путем взаимной подстройки (взаимной синхронизации) частоты излучения задающего лазера передатчика и частоты опорного лазера приемника. Детектируемый информационный сигнал разностной частоты синхронизованной пары передатчика и приемника находится в пределах полосы пропускания электрического фильтра приемника, он усиливается и обрабатывается приемником. Информационные сигналы двух других информационных каналов соответствуют разностной частоте не синхронизованных пар передатчиков и приемника, сигнал биений этих пар лежит вне полосы пропускания электрического фильтра приемника, и поэтому он не пропускается фильтром.
Предложенное устройство отличается от прототипа также тем, что сетка частот соответственно мультиплексора и демультиплексора выполнена с шагом 100 ГГц в соответствии со стандартизованной сеткой частот ITU, передатчики и приемники, объединенные в тройки с передатчиками и приемниками, образующими сетку DWDM частот, идентичную сетке частот соответственно мультиплексора и демультиплексора, оппозитно сдвинуты по частоте относительно последних на величину 33, (3) ГГц. Использование стандартизованных сеток мультиплексоров и демультиплексоров увеличивает эффективность использования компонентов благодаря их взаимозаменяемости. Фиксация рабочих часто приемопередатчиков позволяет осуществлять независимую настройку частот опорных лазеров передатчиков и приемников на фиксированную сетку частот с шагом 33, (3) ГГц, что снижает сложность и, следовательно, стоимость пусконаладочных работ.
Предложенное устройство отличается от прототипа также тем, что сетка частот соответственно мультиплексора и демультиплексора выполнена с шагом 100 ГГц в соответствии со стандартизованной сеткой частот ITU, передатчики и приемники, объединенные в тройки с передатчиками и приемниками, образующими сетку DWDM частот, идентичную сетке частот соответственно мультиплексора и демультиплексора, оппозитно сдвинуты по частоте относительно последних на величину от 28 до 33,3 ГГц. Данный отличительный признак обеспечивает равную энергетическую эффективность (требуемое значение OSNR) для всех каналов. При равномерной сетке частот (расстояние 33, (3) ГГц) энергетическая эффективность двух боковых каналов несколько меньше, чем эффективность центрального канала в каждой тройке каналов, принадлежащей одной спектральной полосе мультиплексора/демультиплексора. Это связано с тем, что края спектров пропускания мультиплексора/демультиплексора «обрезают» спектры боковых каналов. Смещение несущих частот этих каналов ближе к частоте центрального канала, совпадающей с центром полосы пропускания мультиплексора/демультиплексора, уменьшает негативное воздействие «обрезания» спектра сигналов краями полос пропускания мультиплексора/демультиплексора. Это обеспечивает повышение энергетической эффективности боковых информационных каналов в каждой тройке, что в свою очередь позволяет увеличить дальность безрегенерационной передачи информации или уменьшить число промежуточных усилительных пунктов при сохранении дальности передачи. Оптимизация смещения частот в пределах диапазона от 33,3 ГГц до 28 ГГц может осуществляться вручную при пусконаладочных работах, кроме того, может использоваться система автоматической подстройки рабочих частот в процессе работы.
Предложенное устройство отличается от прототипа также тем, что неселективные объединители выполнены с возможностью сохранения поляризации входного излучения, а тройки передатчиков, соединенных с ними, ориентированы так, что оси поляризации их излучения расположены под углами 120 градусов относительно друг друга. Такое взаимное расположение осей поляризации троек передатчиков обеспечивает уменьшение поляризационной нелинейной кросс-модуляции и увеличивает энергетическую эффективность и дальность работы систем связи. Эффект достигается за счет того, что поляризации трех каналов максимально сильно отличаются, достигается поляризационная развязка, приводящая к уменьшению нелинейной кросс-модуляции.
Предложенное устройство отличается от прототипа также тем, что неселективные объединители выполнены сохраняющими поляризацию входного излучения, тройки передатчиков, соединенных с ними, ориентированы так, что оси поляризации их излучения параллельны, а между двумя выходами двух из каждой тройки передатчиков и входами тройников объединителей введены устройства поворота плоскости поляризации на угол ±120 градусов. Данное отличие также обеспечивает уменьшение поляризационной нелинейной кросс-модуляции и увеличивает энергетическую эффективность и дальность работы систем связи. При этом сами передатчики параллельны друг другу, а поворот плоскости поляризации осуществляется промежуточным устройством. Небольшим усложнением конструкции (добавлены элементы поворота поляризации) достигается упрощение пусконаладочных работ и эксплуатационных затрат.
Предложенное устройство отличается от прототипа также тем, что в приемнике и передатчике кодирование и декодирование сигнала осуществляется с использованием формата DP QPSK со скоростью передачи полезной информации 100 Гбит/с. Использование формата DP QPSK обеспечивает максимальную энергетическую эффективность и дальность передачи информации при высокой спектральной эффективности: достигается максимальная величина произведения дальности на спектральную эффективность.
Предложенное устройство отличается от прототипа также тем, что в приемнике и передатчике кодирование и декодирование информации осуществляется с использованием кодов с исправлением ошибок и мягким принятием решений (SoñFEC). Использование SoftFEC дает дополнительный выигрыш в энергетической эффективности и дальности безрегенерационной передачи при небольшом увеличении символьной скорости.
Предложенное устройство отличается от прототипа также тем, что точная величина сдвига по частоте боковых каналов относительно центральных в каждой тройке в пределах диапазона от 28 до 33,3 ГГц осуществляется с использованием цепи обратной связи, сигналом расстройки для которой является разность значений коэффициентов ошибок до момента исправления (BER до FEC). Использование цепи обратной связи обеспечивает автоматическое выравнивание коэффициентов ошибок всех трех каналов в пределах спектральных полос, что обеспечивает выравнивание энергетических эффективностей каналов и дальности работы всей системы в целом.
Предложенное устройство отличается от прототипа также тем, что мощность излучения передатчика центрального канала в каждой тройке информационных каналов в пределах одной спектральной полосы мультиплексора/демультиплексора меньше мощности излучения передатчиков боковых каналов на величину от 0,5 дБ до 3,5 дБ. Данный признак также обеспечивает выравнивание энергетической эффективности каналов и увеличение дальности работы системы связи. Точная настройка оптимальных мощностей может осуществляться в ручном режиме при пусконаладке системы или в автоматическом с использованием цепи обратной связи.
Использование изобретения позволяет довести скорость передачи информации по проложенной кабельной инфраструктуре линий связи до 27 Тбит/с по одному волокну (по паре волокон при двунаправленной связи) при использовании формата модуляции DP QPSK и диапазонов C+L.
С учетом изложенного можно сделать вывод о том, что поставленная задача - увеличение спектральной эффективности - решена, и заявленный технический результат - увеличение спектральной эффективности (увеличение пропускной способности системы связи) - достигнут.
Анализ заявленного технического решения на соответствие условиям патентоспособности показал, что указанные в независимом пункте формулы признаки являются существенными и взаимосвязаны между собой с образованием устойчивой совокупности, неизвестной на дату приоритета из уровня техники необходимых признаков, достаточной для получения требуемого синергетического технического результата.
Вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного технического решения следующей совокупности условий:
- объект, воплощающий заявленное техническое решение, при его осуществлении предназначен для использования в области волоконно-оптических систем передачи информации, а именно в когерентных системах связи со спектральным мультиплексированием, и может быть использован для передачи информации на расстояние от нескольких километров до нескольких десятков тысяч километров, может входить в состав магистральных межконтинентальных, региональных, межгородских и городских систем связи, может использоваться в общественных и корпоративных сетях связи, а также в сетях связи специального назначения;
- для заявленного объекта в том виде, как он охарактеризован в независимом пункте нижеизложенной формулы, подтверждена возможность его осуществления с помощью вышеописанных в заявке или известных из уровня техники на дату приоритета средств и методов;
- объект, воплощающий заявленное техническое решение, при его осуществлении способен обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.
Следовательно, заявленный объект соответствует требованиям условий патентоспособности «новизна», «изобретательский уровень» и «промышленная применимость» по действующему законодательству.