TRANSMISSION OF RADIO-OVER-FIBER SIGNAL OVER FIBER OPTICAL LINE IN DENSE DISPERSION MANAGEMENT REGIME

Full Text

Введение Технология Radio over Fiber (RoF) представляет собой способ передачи радиосигналов миллиметрового диапазона по оптическому волокну (ОВ) и в настоящее время находит применение в мобильные сетях 3 и 4 поколений, беспроводных сетях доступа WiFi, WiMax, а также оптических сетях доступа [1-3]. На рис. 1 приведена структура сегмента сети RoF. На центральной станции оптическая несущая модулируется на поднесу-щих СВЧ-диапазона цифровыми информационными сигналами со скоростями от 1 до 10 Гбит/с и передается по волоконно-оптической линии передачи (ВОЛП) на базовые станции. На базовой станции производится оптико-электрическое преобразование, и радиосигнал передается в эфир в пределах зоны радиусом от единиц до десятков метров. Абонентские терминалы принимают и демодулируют сигнал [1-3]. Базовая станция Рис. 1. Обобщенная структура сегмента сети RoF Основные достоинства технологии RoF заключаются в увеличении пропускной способности, упрощении абонентского оборудования и снижения затрат при инсталляции и эксплуатации, что в конечном итоге приводит к увеличению экономическая эффективность сети [1-4]. Модуляция оптического сигнала может осуществляться различными способами. Спектр модулированного сигнала может содержать две боковые полосы и несущую (Double-Sideband -DSB), одну боковую полосу и несущую (SingleSideband - SSB) или две боковые полосы с подавленной несущей (Optical Carrier Suppression - OCS). В настоящее время наиболее широко применяются форматы SSB и OCS [1-4]. Для существующих систем RoF актуальна задача передачи информационного сигнала со скоростью 10 Гбит/с на расстояния порядка 50 км с эффективными коммерческими показателями. Так, в [5] была продемонстрирована возможность передачи информационного RoF сигнала со скоростью 10 Гбит/с для стандартного одномодового оптического волокна на расстояние 7 км при DSB модуляции (BER = 10-9) и на расстояние до 50 км (BER = 10-9) при SSB модуляции. Этой же группой авторов в работе [6] удалось реализовать схему SSB модуляции с использованием двух лазеров, разнесенных между собой на частоту 33 ГГц, и получить аналогичные результаты. Однако данные достижения получены с использованием кодера упреждающей коррекции ошибок (forward error correction - FEC) и эрбиевого волоконно-оптического предусилителя (Erbium Doped Fiber Amplifiers - EDFA), что приводит к увеличению стоимости передатчика, приемника и снижению экономического эффекта. В [7] для увеличения протяженности RoF сети и компенсации влияния хроматической дисперсии (ХД) было предложено использовать дисперсионно-управляемые оптические солитоны, формируемые на одном периоде дисперсионной карты (Dispersion Managed Soliton - DMS). Параметры карты рассчитывались с использованием методики, изложенной в [8]. В результате авторам удалось обеспечить передачу информационного сигнала со скоростью 10 Гб/с на расстояние 59,6 км, при этом протяженность телекоммуникационного ОВ составляла 30,2 км. Более эффективным методом формирования оптических солитонов является плотный режим управления дисперсией (Dense Dispersion Managed Solitons - DDMS). Режим DDMS поз «Инфокоммуникационные технологии» Том 10, № 4, 2012 20 Арбузова Е.Ю., Волкова К.А., Волков К.А., Дашков М.В., Кокурина О.Е. воляет уменьшить требуемый уровень вводимой мощности, увеличить протяженность и скорость передачи [9]. Таким образом, представляет интерес исследование характеристик передачи сигнала RoF в режиме DDMS для различных дисперсионных карт (ДК). Статья посвящена исследованию ДК, адаптированных для передачи информации со скоростью 10 Гбит/с в RoF сетях на основе DDMS с учетом параметров телекоммуникационных ОВ, а также параметров коммерчески доступных элементов компенсации ХД. Методы реализации плотного режима управления дисперсией на ВОЛП С практической точки зрения режим DDMS оптимально организовывать на этапе строительства, используя строительные длины оптического кабеля (ОК) с различными типами ОВ в соответствии с выбранной схемой компенсации дисперсии или ОК с уже заложенной в него ДК [10]. Для существующих ВОЛП требуется другой вариант организации DDMS, позволяющий уменьшить объем земляных работ при реконструкции. С точки зрения практической реализуемости авторами [11] был предложен вариант организации DDMS при модернизации ВОЛП путем включения DCF в местах соединения строительных длин оптического кабеля. При этом реконструкция может быть сведена к повторному монтажу или замене оптических муфт. Особенностью ВОЛП с управлением дисперсией является существование оптимальной точки приема, расположение которой зависит от величины накопленной дисперсии [12]. Как известно, помимо вариации протяженности строительных длин ОК при производстве, наблюдается дополнительный разброс длин при прокладке и монтаже муфт, связанный с привязкой к конкретной местности. По этой причине использование компенсаторов с фиксированными значениями накопленной отрицательной дисперсии в приложении к реальным условиям приводит к разбросу параметров ДК, который может нарушить устойчивость режима DDMS. Решением указанной проблемы может служить применение оптических кабельных вставок с DCF. Длина вставки подбирается таким образом, чтобы обеспечивалась заданная величина остаточной дисперсии на одном периоде ДК. В случае реконструкции монтаж кабельной вставки может производиться в существующей оптической муфте при наличии свободных портов, или с установкой новой многопортовой муфты. Использование кабельных вставок с DCF формирует асимметричную ДК. Как показывают исследования [14], в подобных ДК наблюдается существенная межсимвольная интерференция (МСИ) оптических импульсов, оказывающая существенное влияние на качество и дальность передачи. Существуют различные подходы к формированию ДК [15-16]. Например, в [16-17] методика подбора ДК заключается в минимизации взаимодействия между соседними импульсами. Используя данную методику для двухсегментной ДК, состоящей из оптических волокон двух типов: SMF и DCF (см. таблицу 1), при протяженности оптического тракта 50 км оптимальное число периодов ДК будет составлять 10 ... 30. Таким образом, периодичность включения DCF составит от 1,67 км до 5 км при условии соблюдения кратности числа периодов ДК на длине ВОЛП. С практической точки зрения целесообразно рассмотреть привязку длины сегмента SMF к среднему расстоянию между оптическими муфтами, учитывая, что типовая протяженность строительных длин ОК составляет от 2 до 6 км. Распространение RoF сигнала в оптическом тракте с управлением дисперсией В данной работе рассматривается сигнал RoF формата SSB, спектр которого содержит несущую и одну боковую полосу. Распространение RoF сигнала в ОВ может быть описано системой двух нелинейных уравнений Шредингера (НЛУШ). Первое уравнение описывает распространение несущей. Второе уравнение описывает распространение боковой полосой. Так как для RoF максимальный разнос между несущей и боковой составляет 60 ГГц (что существенно меньше 13 ТГц), явлением вынужденного комбинационного рассеяния можно пренебречь. Также, поскольку Таблица 1. Параметры ОВ (длина волны 1550 нм) Параметр SMF DCF а, дБ/км 0.22 0.42 D, пс/нм/км 17 -100 S, пс/нм2/км 0,092 -0.23 п2 м/Вт 9 2,7-10'20 2,7-10'20 Aeff , мкм2 80 30 «Инфокоммуникационные технологии» Том 10, № 4, 2012 Арбузова Е.Ю., Волкова К.А., Волков К.А., Дашков М.В., Кокурина О.Е. 21 значения локальной дисперсии достаточно большие, явление четырех волнового смешения не учитывается. В итоге получаем систему вида: ^l + Lr (z)^ + ^MA = dz 2 ’ dt2 2 е = іА?І\ас |2+21л|2 w. ЗА 1 dAs і , ,32As a(z) dz ' Avg(z) dt + 2 dt2 + 2 ' “ = ir(ziiAs\2 +2\AC\2 k. где Ac, As - огибающие несущей и боковой; Avg- разница групповых скоростей распространения несущей и боковой; /?2c(z)j Pisi2) - дисперсия групповых скоростей (ДГС) несущей и боковой; a(z) - коэффициент затухания, y{z) -коэффициент нелинейности. Коэффициент нелинейности определяется выражением: у. П2О)0 сА эфф где ^2 - нелинейный показатель преломления; с - скорость света в вакууме; Аэфф - эффективная площадь моды. Форма солитона в режиме с управлением дисперсией близка к гауссовой и может быть представлена уравнением: ґ , _Л 1 л A(z,t) = Aq exp (l + id) t2 где Aq - амплитуда; T0 - длительность импульса (половина ширины по уровню 1/e); С - чирп. Пиковая мощность, необходимая для формирования солитонного режима, определялась выражением: л 2 ■ А0 ш /ТІ где (j32) - среднее значение дисперсии групповых скоростей дисперсионной карты. Среднее значение ДГС для ВОЛП с управлением дисперсией определялось как: PlSMF^SMF + Pi DCFLDCF (АН Lsmf + Ldcf где Pi SMF ’ Pi 2 DCF ’ SMF > ^DCF дисперсии групповых скоростей и длины сегментов стандартного и компенсирующего волокон, соответственно. Расчет длины сегмента волокна компенсации производился по формуле ifh SMF Pi f"6S \P2avg ~ РIres) где P2res - коэффициент остаточной дисперсии на одном периоде дисперсионной карты. Результаты моделирования Решение системы НЛУШ производилось численно с использованием Фурье-метода расщепления по физическим параметрам. Выбор шага метода производился таким образом, чтобы нелинейный набег фазы не превышал 0,01 рад и был много меньше дисперсионной длины и длины нелинейности. Сигнал RoF был смоделирован в виде непрерывного излучения лазера с частотой 193,4 ТГц (длина волны 1550,12 нм) и оптического излучения, центральная частота которого смещена на 60 ГГц и промодулирована информационным сигналом 10 Гбит/c. Оценка качества передачи производилась через Q-фактор, определяемый по глаз-диаграмме. Для исследования влияния параметров дисперсионной карты на качество передачи было выполнено моделирование распространения RoF сигнала в оптическом тракте протяженностью 48 км для различных длин сегментов SMF (от 4 до 8 км) и для различных величин остаточной дисперсии. Пример эволюции солитона на одном периоде дисперсионной карты с параметрами SMF рис. 2. - 8 км и P2res = -0,3 пс /км приведен на Рис. 2. Эволюция солитона на одном периоде ДК На рис. 3. приведены вариации длительности со-литона при распространении сигнала в оптическом тракте с вышеприведенными параметрами ДК. «Инфокоммуникационные технологии» Том 10, № 4, 2012 22 Арбузова Е.Ю., Волкова К.А., Волков К.А., Дашков М.В., Кокурина О.Е. z, km Рис. 3. Вариации длительности солитона в оптическом тракте с DDMS На рис. 4-5 приведены зависимости Q-фактора и требуемой пиковой мощности солитона в зависимости от длины сегмента LSMF и средней остаточной дисперсии P2avg. Таким образом, при увеличении остаточной дисперсии требуется увеличение мощности импульса, однако при этом увеличивается Q-фактор. При величине остаточной дисперсии от -0,25 до -0,35 Q-фактор лежит в пределах 15 ... 25 дБ, при этом требуемая пиковая мощность импульса должна составлять 2-3 мВт. Q-factor Рис. 4. Зависимость Q-фактора от параметров ДК Р, mW Рис. 5. Зависимость пиковой мощности солитона от параметров ДК В заключение можно сделать вывод о перспективах применения технологии DDMS на RoF сетях при соответствующем подборе параметров ДК.

About the authors

E. Y Arbuzova

Email: evgeniya.arbuzova.91@mail.ru

K. A Volkova

Email: ksan_4ik@mail.ru

K. A Volkov

Email: volkov_ka_lsits@mail.ru

M. V Dashkov

Email: mvd.srttc@gmail.com

O. E Kokurina

Email: olga.kokurina@list.ru

References

Supplementary files