автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.13, диссертация на тему:Моделирование волоконно-оптической синхронной системы телекоммуникаций на основе структурной декомпозиции

Таблица используемых сокращений.

Введение.

Глава 1. Анализ современного состояния волоконно-оптических систем передачи.

1.1. Многоканальные волоконно-оптические системы передачи.

1.2. Синхронная цифровая иерархия и аппаратура уплотнения каналов.

1.3. Оптические усилители для волоконно оптических систем передач.

1.4. Постановка задачи исследований.

1.5. Выводы к главе I.

Глава 2. Математическая модель синхронного мультиплексора, учитывающая влияние возмущающих факторов в сети.

2.1. Анализ математических моделей цифровых систем связи.

2.2. Матричный подход к математическому моделированию оптоволоконных многоканальных систем передачи.

2.3. Исследование корректности допущений, принятых при построении матричной математической модели систем передач.

2.4. Исследование качества выходного сигнала сегмента синхронной сети в случае действия кратковременной помехи.

2.5. Выводы к главе II.

Глава 3. Исследование сегмента синхронной сети с волоконнооптическим усилителем.

3.1. Интегральный способ подключения волоконно-оптического усилителя к линии связи.

3.2. Оценка влияния нелинейного затухания, преломления и модуляционной неустойчивости на синхронный оптический сигнал.

3.3. Влияние вынужденного рассеяния на синхронный оптический сигнал.

3.3. Влияние параметрических процессов на синхронный оптический сигнал.

3.4. Волоконный усилитель с ровным «плато» передаточной характеристики в диапазоне длин волн 1540. 1545 нм.

3.5. Выводы к главе III.

Глава 4. Сравнительная характеристика сегмента сети, содержащего новые компоненты, с известным аналогичным сегментом.

4.1. Специализированный оптоволоконный коннектор.

4.2. Фильтр для сетей плотного волнового мультиплексирования.

4.3. Сравнительная характеристика сегмента сети, содержащего новые компоненты, с известным аналогичным сегментом.

4.4. Выводы к главе IV.

Глава 5. Экспериментальное исследование сегмента волоконно-оптической системы передачи с волоконно-оптическим усилителем.

5.1. Методика экспериментального исследования возможности совместной передачи излучения накачки и информационного сигнала по одномодовому световоду.

5.2. Результаты экспериментальных исследований.

4.3. Реконструированная ведомственная сеть

ОАО «Башкирэнерго».

4.4. Выводы к главе V.

Сегодня мировая телекоммуникационная индустрия претерпевает существенные изменения, связанные с переходом от голосо-ориентированных систем к системам передачи данных, что с одной стороны является следствием стремительного развития волоконно-оптических систем передачи (ВОСП), с другой стороны - продиктовано требованиями техники, машиностроения и пр., всеми областями, где используются телекоммуникации. Современная аппаратура, обеспечивающая управление, восстановление, преобразование уровня, перегруппирование цифровых оптических потоков и т.п. в подавляющем большинстве построена на базе электронных компонентов, и в ряде случаев подвергается влиянию помех. Существующие математические модели систем передачи в основном направлены на решение двух классов задач. Первый - исследование влияющих факторов на канал связи, с последующим выбором алфавита источника, способа помехоустойчивого кодирования и пр. (задача Шеннона). Второй - расчет по мощности оптоволоконных систем с учётом потерь в световодных соединителях, разветвителях, на преобразование и т.д. для обеспечения требуемого уровня критериев качества передачи - в стационарном случае вероятности битовых ошибок, в нестационарном добавляются: количество секунд с ошибками и количество сильно поражённых секунд. В настоящее время отсутствуют математические модели многоканальных систем связи, позволяющие отслеживать изменение критериев качества передачи в условиях воздействия помех на активную аппаратуру линейного тракта. Задача обеспечения качества передачи на требуемом уровне решается путём неоправданного завышения системного запаса ВОСП.

Новые технические задачи, поставленные промышленностью перед системами передачи по увеличению скорости, объемов передаваемой информации, расширению областей технических приложений, приводят к необходимости пересмотра фундаментальных принципов проектирования, управления и контроля. Перспективным является направление на создание полностью оптических транспортных сетей (AON: All-optical Networks). AON представляют класс сетей, в функционировании которых главную роль при коммутации, мультиплексировании, ретрансляции играют не электронные (оптоэлектрон-ные), а полностью оптические технологии и компоненты. Полностью оптические сети претендуют на роль главенствующей сетевой технологии, способной обеспечить гигантскую полосу пропускания как для сегодняшних, так и завтрашних сетевых информационных приложений.

На протяжении последних нескольких лет зарубежными фирмами-производителями (Lucent Technologies, Alcatel, Ericsson, Fujitsu, Hewlett Packard, NEC, NTT, Nortel, Siemens [1] и др.) в этой области ведутся интенсивные исследования, создается новое оборудование - лазеры с перестраиваемой длиной волны, оптические волновые мультиплексоры WDM, широкополосные оптические усилители EDFA, оптические коммутаторы и т.д. Строятся прототипы архитектур, вырабатываются стандарты.

Следовательно, задачи построения новых инженерных методик расчёта ВОСП и новых оптических компонентов, предназначенных для использования в AON-сетях (в том числе для эксплуатации в нестандартных условиях), являются актуальными. Диссертация посвящена разработке новых математических моделей, способов подключения и конструкций перспективных компонентов для волоконно-оптических синхронных сетей.

Основные результаты диссертационной работы получены с использованием теории физической, геометрической оптики и теории случайных процессов. Применены методы математического моделирования, в том числе компьютерного. Проведён натурный эксперимент на созданном научно-исследовательском стенде.

Научная новизна работы заключается в следующем:

• Математическом моделировании активной аппаратуры мультиплексирования каналов.

• Теоретическом анализе влияния нелинейных оптических эффектов на DWDM-сигнал со стороны волны накачки в одномодовом световоде.

• Аналитическом исследовании перспективных компонентов ВОСП: волоконно-оптической усилительной системы с интерферометром Фабри-Перо (ИФП), фильтра DWDM-сигнала на основе двухрезонаторного ИФП.

• Разработке методики экспериментального исследования нелинейных оптических эффектов на информационный DWDM-сигнал при прохождении его совместно с излучением накачки по стандартному одномодовому световоду.

Практическая ценность. Разработаны новый способ прогнозирования значений критериев качества передачи в условиях воздействия влияющих факторов на аппаратуру мультиплексирования, новый способ подключения волоконно-оптического усилителя к линии связи, новые модели волоконнооптической усилительной системы, фильтра DWDM-сигнала и специализированного оптоволоконного коннектора.

Новые научные результаты, выносимые на защиту:

1. Математическая модель активной мультиплексирующей аппаратуры, представляющая матричный способ описания компонентных сигналов и функциональных узлов мультиплексора, позволяющая прогнозировать изменения значений критериев качества передачи в условиях воздействия влияющих факторов на аппаратуру линейного тракта.

2. Способ подключения волоконно-оптического усилителя к линии связи, заключающийся в совместном подведении сигнала и излучения накачки по од-номодовому световоду, позволяющий удалить электрические компоненты из зоны усиления.

3. Математическая модель волоконно-оптической усилительной системы, представленная в виде передаточной характеристики, позволяющая проводить расчёт значений конструктивных параметров.

4. Модель фильтра DWDM-сигнала на основе двухрезонаторного ИФП, позволяющего с большей эффективностью по отношению к известным подавлять внутризонную мультипликативную помеху.

5. Методика экспериментального исследования прохождения информационного сигнала совместно с излучением накачки по одномодовому световоду типа SF, заключающаяся в оценке влияния нелинейных искажений на значения критериев качества передачи, позволяющая оценить увеличение длины реге-нерационного участка сети.

Основные результаты диссертационной работы были доложены на:

Международной научно-технической конференции по радиолокации, навигации и связи - RLNC'2002, «Радиолокация, навигация, связь» г. Воронеж, 2002; Всероссийском научно-техническом семинаре по устройствам синхронизации и формирования сигналов - «Устройства синхронизации и формирования сигналов», г. Нижний Новгород, 2002; Всероссийской научной сессии, посвященной дню радио, г. Москва, 2002; а также на семинарах кафедры «Телекоммуникационные системы» УГАТУ. По материалам диссертации опубликовано 8 печатных работ, 4 доклада в сборниках конференций, получено 2 регистрационных свидетельства программного обеспечения, список которых приведен в конце автореферата.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографии и приложения.

Основные результаты работы заключаются в следующем:

1. Разработана математическая модель активной мультиплексирующей аппаратуры, которая в отличие от традиционных моделей представляет матричный способ описания компонентных сигналов и функциональных узлов мультиплексора. Модель позволяет прогнозировать изменения значений критериев качества передачи в условиях воздействия влияющих факторов на аппаратуру линейного тракта. В рамках разработанной модели проведена оценка изменения вероятности битовых ошибок, количества секунд с ошибками и количества сильно поражённых секунд для случая, когда внешнее воздействие приводит к изменению передаточных характеристик узлов мультиплексора в соответствии с процессом Орнштейна-Уленбека.

2. Предложен способ подключения волоконно-оптического усилителя к линии связи, заключающийся в отличие от традиционных в совместном подведении информационного сигнала и излучения накачки по одномодовому световоду, позволяющий удалить электрические компоненты из зоны усиления. Проведена аналитическая оценка влияния нелинейных оптических эффектов на синхронный DWDM-сигнал, в результате чего показано, что качество передачи сохранится на уровне «передачи данных», РЕ < 10"9, при использовании сегмента световода длиной до 3 км.

3. Разработана и исследована математическая модель волоконно-оптической усилительной системы, позволяющая рассчитать диапазоны параметров конструкции. Предлагаемая усилительная система в отличие от известных обеспечивает выравнивание интенсивности излучения в DWDM-каналах посредством использования резонансной линии интенсивности интерферометра Фабри-Перо. Показано, что многолучевая интерференция не приведёт к ухудшению качества передачи до уровня STM-256 синхронной сети.

4. Разработана и исследована математическая модель фильтра DWDM-сигнала на основе двухрезонаторного интерферометра Фабри-Перо, представленная в виде передаточной характеристики, позволяющая рассчитать диапазоны параметров конструкции. Предлагаемый фильтр в отличие от известных обеспечивает эффективное подавление внутризонных мультипликативных помех не искажая сигнал в соседних каналах за счёт более резкой линии интенсивности.

5. Разработана методика и проведено экспериментальное исследование возможности совместной передачи информационного монохроматического или WDM-сигнала и излучения накачки по одномодовому световоду типа SF. Установлено, что на длине исследуемого световода в пределах до 3.5 км и при мощности источника накачки до 16 Вт качество передачи сохранится на уровне «передачи голоса», РЕ < 10"6, что соответствует нормативной документации.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате выполненного исследования изучена возможность построения новой математической модели многоканальных систем связи, позволяющей отслеживать изменение значений критериев качества передачи в условиях воздействия помех на активную аппаратуру линейного тракта. Использование предлагаемой математической модели с учётом зависимостей передаточных характеристик функциональных узлов мультиплексирующей аппаратуры под влиянием внешних помех позволяет рассчитать требуемый уровень системного запаса ВОСП.

Теоретически и экспериментально изучен новый способ подключения волоконно-оптического усилителя к BOJ1C, проведена оценка его технических параметров. Предлагаемый способ позволяет располагать электрические компоненты источника накачки вдали от зоны усиления, тем самым расширяет область технических приложений волоконно-оптических телекоммуникаций.

Разработаны новые модели перспективных оптических компонентов -усилительной системы с улучшенной передаточной характеристикой, нового оптоволоконного коннектора, позволяющего объединять световые пучки различных поперечных сечений и нового DWDM-фильтра с более резкой резонансной характеристикой.

По завершению работы над диссертацией предполагается продолжить научно-исследовательскую деятельность в области построения перспективных оптических компонентов для AON-сетей. Предполагается изучить возможность управления световыми информационными потоками посредством электростатических, магнитостатических, электромагнитных и световых полей.

1. Убайдуллаев Р. Р. Волоконно оптические сети. - М.: Изд-во ЭКО-ТРЕНДЗ, 2000. - 267 с.

2. Волоконно-оптическая техника: история, достижения, перспективы / Сборник статей под ред. Дмитриева С. А., Слепова Н. Н. М.: Издательство «Connect», 2000. - 376 с.

3. Теория электрической связи / А. Г. Зюко, Д. Д. Кловский, В.И. Коржик, М.В. Назаров; Под ред. Д.Д. Кловского. М.: Радио и связь,1998.- 432с.

4. Алексеев Е.Б. Особенности технической эксплуатации волоконно-оптических систем передачи и сетей синхронной цифровой иерархии. Учебное пособие.-М.: ИПК при МТУ СИ, 1999 г. 183 с.

5. Слепов Н. Н. Синхронные цифровые сети 8БН.-М.:Издательство Эко-Трендз, 2000.- 148 с.

6. Сурков Ю.П. Нормы на электрические параметры цифровых каналов и трактов магистральных и внутризоновых первичных сетей. Под общей ред. Москвитина В.Д. М.: Резонанс, 1996. 106 с. Введены в действие Приказом № 92 от 10.08.96 Министерства связи РФ.

7. Стиффлер Дж.Дж. Теория синхронной связи. Пер. с англ. Б.С. Цыбакова под ред. Э.М. Габидулина. М.: Связь, 1975. 486 с.

8. Галагер Р. Теория информации и надежная связь. США, 1968 г. Пер. с англ., под ред. М.С.Пинскера, Б.С.Цыбакова, М.: Советствкое радио, 1974. 720 с.

9. Г. Корн, Т. Корн Справочник по математике М.: Наука, 1974. - 831 с.

10. Игнатов В. А. Теория информации и передачи сигналов: Учебник для вузов. 2-е изд., - М.: Радио и связь, 1991. - 322 с.

11. Султанов А. X., Усманов Р.Г., Виноградова И. JI. Математическая модель синхронного мультиплексора, позволяющая проводить оценку вероятности битовой ошибки в STM-сигнале. // Физика волновых процессов и рабиотех-нические системы, № 2, 2002. - с. 31 - 44.

12. Теория ТЕЛЕТРАФИКА / Ю. Н. Корнышев, А. П. Пшеничников, А. Д. Харкевич. М.: Радио и связь, 1996. - 272 с.

13. Гальярди Р. М., Карп Ш. Оптическая связь: Пер. с англ. /Под ред. А. Г. Шереметьева. М.: Связь, 1978. - 424 с.

14. Султанов А.Х., Усманов Р.Г., Виноградова И.Л. Вопросы синхронизации сетей SDH. // Устройства синхронизации и формирования сигналов: Сб. докладов научно-технического семинара РНТОРЭС им. А.С. Попова. -Н.Новгород, РНТОРЭС им. А.С. Попова, 2002, с. 4 - 6.

15. Методика расчетов устойчивости автоматизированных электрических систем / Н.Д. Анисимова, В.А. Веников, В.В. Ежков, Л.А. Жуков. М.: Высшая школа, 1966. - 246 с.

16. ОСТ 45.104-97. Стыки оптические систем передачи синхронной цифровой иерархии. Стандарт отрасли. М.: ЦНТИ "Информсвязь". 1997. - 27 с.

17. Гауэр Дж. Оптические системы связи: Пер. с англ. М.: Радио и связь, 1989.-504 с.

18. Виноградова И.Л. Моделирование волоконно-оптических линий связи и преобразователей с интерферометром Фабри-Перо: Дис. канд. техн. наук: 05.13.16. Защищена 14.06.2000; Утв. 11.11.2000. - Уфа, 2000. - 205 с.

19. Вознесенский В. А. Статистические методы планирования эксперимента в технико-экономических исследованиях. М.: Финансы и статистика, 1991. -256 с.

20. Вентцель Е. С., Овчаров Л. А. Теория случайных процессов и ее инженерные приложения. М.: Наука. - 1991. - 384 с.

21. Гихман И. И., Скороход А. В. Теория случайных процессов. Т. 2. - М.: Наука, 1973.-432 с.

22. Баруча-Рид А. Т. Элементы теории марковских процессов и их приложения. М.: Наука, 1969. - 512 с.

23. Султанов А.Х., Усманов Р.Г., Виноградова И.Л., Алькин Ю.П. Реконструкция ведомственной сети ОАО «Башкирэнерго». // ВКСС, № 2, 2002. с. 60 -65.

24. Мосс Т., Барел Г., Эллис Б. Полупроводниковая оптоэлектроника / Под ред. С. А. Медведева. М.: Мир, 1976. - 425 с.

25. Волоконная оптика и приборостроение / М. М. Бутусов, С. JI. Галкин, С. П. Оробинский, Б. П. Пал; Под общ. ред. М. М. Бутусова. Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1987. - 328 с.

26. Султанов А. X., Усманов Р.Г., Виноградова И. JT. Сегмент системы передачи с усилителем EDFA. // Датчики и системы, № 4, 2002. - с. 21 - 33.

27. Султанов А. X., Усманов Р.Г., Виноградова И. JT. Сегмент синхронной сети с восстановлением сигнала без оптоэлектронного преобразования // УГАТУ. Уфа, 2002. - 30 е.: ил. - Библиогр.: 14 назв. - Рус. - Деп. в ВИНИТИ 29.04.02 № 779-В2002. УДК 681.128.56.

28. Квантовая электроника. Маленькая энциклопедия. Отв. Ред. М. Е. Жабо-тинский. М.: Сов. Энциклопедия, 1969. - 432 с.

29. ОСТ 45.91-97. Измерители показателей ошибок в цифровых каналах и трактах передачи. Стандарт отрасли. М.: ЦНТИ "Информсвязь". 1997. -43 с.

30. Справочник по волоконно-оптическим линиям связи / Л. М. Андрушко, В. А. Вознесенский, В. Б. Каток и др.; Под ред. С. В. Свечникова и Л. М. Андрушко. Киев : Техника, 1988. - 239 с.

31. Матвеев А.Н. Оптика: Учеб.пособие для физ.спец. вузов. М.: Высшая школа, 1985.- 351 с.

32. Султанов А. X., Усманов Р.Г., Виноградова И. JI. Программа расчёта влияния нелинейных искажений на параметры оптического сигнала. Per. № 50200200116. Информационный бюллетень ВНТИЦ, Алгоритмы и программы, № 2, 2002. - РТО 7 с. ISSN 0320-0884.

33. Кухлинг X. Справочник по физике: пер. с нем., 2-е изд. М.: Мир, 1985. -520 с.

34. Ярив А. В. Квантовая электроника и нелинейная оптика. Пер. с англ. под ред. О. Г. Вендика, Я. И. Ханина. М.: Советское радио, 1973. - 456 с.

35. Hoss, Robert J. Fiber optic communications design Handbook. Prentice-Hall international Edition, 1990. 435 p.

36. Stratton J. Electromagnetic theory. Mc Graw Hill, New York, 1941. Перевод: Стрэттон Дж. Теория электромагнетизма. ОГИЗ, 1948. - 511 с.

37. Скоков И. В. Многолучевые интерферометры в измерительной технике. -М.: Машиностроение, 1989. 256 с.

38. Виноградова И. Л., Султанов А. X. Статистический подход к описанию интерферометров Фабри-Перо как элементов многолучевой интерференции в линиях связи// Радиотехника. 2000. - № 1. - С. 45 - 49. - ISSN 0033-8486.

39. ITU-T Rec. G.707. Network node interface for the Synchronous Digital Hierarchy (SDH), 1998.-120 c.

40. Правила устройства электроустановок. Шестое издание с изм. и доп., принятыми Главгосэнергонадзором РФ. С.-Петербург: изд-во «Деан», 2000. -926 с.

41. Аронов И.З., Бурдасов Е.И. Оценка надёжности по результатам сокращённых испытаний. М.: Издательство стандартов, 1987. - 184 с.

42. Иванов В. Т. Волоконно-оптические технологии на пути реализации полностью оптических систем связи// ИнформКурьер-Связь. 2000. - № 11.- С. 76 77. - ISSN 0869-7973.

43. Султанов А. X., Усманов Р.Г., Виноградова И. Л. Исследование многолучевой интерференции в волоконно-оптической линии связи // УГАТУ. Уфа, 2002. - 19 е.: ил. - Библиогр.: 11 назв. - Рус. - Деп. в ВИНИТИ 29.04.02 № 778-В2002. УДК 681.128.56.

44. Волоконно-оптическая связь. Приборы, схемы и системы. Под ред. М. Дж. Хауэса, Д. В. Моргана. М.: Радио и связь, 1982. 270 с.

45. Semiconductor and Erbium-Doped Fibre Amplifiers (EDFA), Australian Photonics CRC, 1998, http:// www.vislab.usyd.edu.au /vislab/ photonics/.147

46. Султанов А. X., Усманов Р.Г., Виноградова И. JT. Спектральные характеристики помех многолучевой интерференции в волоконно-оптической линии связи для нестационарного случая. // Телекоммуникации, № 6, 2002. - с. 27-32.

47. А. с. 1697035 СССР, МКИ5 G 02 В 6 / 28. Волоконно-оптический разветви-тель / Р. А. Тухватуллин, Jl. Е. Виноградова, И. JI. Виноградова, С.П. Ржевский. Заявлено 05.07.1989; Опубл. 04.12.1991, Бюл. № 45.

48. Султанов А. X., Усманов Р.Г., Виноградова И. JL Фильтр для сетей плотного волнового мультиплексирования на основе двухрезонаторного интерферометра Фабри-Перо. // Датчики и системы, № 7, 2002. с. 10 - 18.

49. N. Abramson. "Development of the ALONANET" //IEEE Transactions on Information Theory, Vol. IT-31, March, 1985. p.p. 24-43.

50. Иванов А.Б. Волоконная оптика: компоненты, системы передачи, измерения. М.: Компания Сайрус-Системс, 1999. - 670 с.