Введение

Транспортировка широкополосных сигналов по оптическим волокнам на значительные расстояния обеспечивает высокое качество и невосприимчивость к электромагнитным помехам - индустриальным и атмосферным. При создании волоконно-оптических систем доступа используется пассивные оптические сети c топологией «звезда», «шина» (Т-образная) и «дерево». В звездообразной сети, построенной по принципу «точка-много точек», оптический сигнал передается от передающего оптического узла к приемным оптическим узлам по отдельным волокнам (кабелям). В сети типа шина при помощи одного общего волокна (кабеля) передающий оптический узел соединяется со всеми приемными оптическими узлами и в каждом из них при помощи оптического ответвителя отбирается малая часть мощности света, а ее большей часть передается далее по одно-волоконной «шине к другим оптическим узлам. Реальные волоконно-оптические системы доступа часто являются древовидными.

В данном комплексном задании представлен пошаговый метод проектирования оптической части волоконно-оптические сети доступа с топологией «звезда».

1. Построение гибридной сети доступа

1.1 Доступ по ТфОП и сетям кабельного телевидения

Пользователи сети Интернет могут выбирать из технологий проводного широкополосного доступа либо цифровую абонентскую линию - ЦАЛ (англ. DSL - Digital Subscriber Line), либо кабельную модемную связь - КМС В апартаменты абонента, проживающего в многоквартирном доме, еще на этапе строительства дома вводится телефонная линия и коаксиальный кабель, питаемый от ТВ коллективной антенны.. Каждая из этих технологий доступа имеет свои преимущества, недостатки и свой контингент абонентов.

Доступ по ЦАЛ организуют компании телефонной сети общего пользования (ТфОП). Услуги кабельной модемной связи предоставляют операторы сетей кабельного телевидения (КТВ). Компания, предоставляющая услуги кабельного ТВ, телефонии и доступа в сеть Интернет, называется «мультисистемным оператором» - МСО (англ. MSO - Multiple Systems Operator). Общим для КМС и ассиметричной ЦАЛ является следующее.

При хDSL доступе каждый из абонентов соединен с АТС индивидуальной парой проводников симметричного кабеля - топология сети «точка-точка» на рис. 1.1, а. Коаксиально-кабельная (КК) сеть, связующая абонентов сети КТВ с головной станцией (оптическим узлом, см. ниже), является более широкополосной, чем симметричный кабель, средой передачи. Однако, структура сети КТВ и, соответственно, кабельной модемной связи имеет широковещательную организацию- «точка-много точек», рис. 1.1, б. Это означает, что среда передачи, а значит и доступная полоса частот, между модемом пользователя и оборудованием передачи данных, установленным на головной станции (оптического узла), используется совместно с другими абонентами КМС, расположенными в зоне действия ГС (оптического узла).

1.2 Гибридная волоконно-коаксиальная сеть доступа

Современные интерактивные сети КТВ являются гибридными волоконно-коаксиальными (англ. HFC - Hybrid Fiber-Coax). HFC сети обладают следующими преимуществами:

- совмещение оптического и коаксиального кабеля позволяет в течение продолжительного времени сохранять инвестиции, вложенные в ОВ, постепенно уменьшая длины коаксиальных участков сети;

- лучшая помехоустойчивость, и, следовательно, высокое качество передачи информации по сравнению с сетями, построенными на симметричном или коаксиальном кабеле;

- возможность наращивания (по сравнению с симметричным кабелем) пропускной способности сети и перехода на более высокоскоростные транспортные протоколы;

- расширение спектра услуг за счет цифрового, интерактивного и платного телевидения (видео), видеоконференцсвязи и др. услуг, требующих широкой полосы пропускания;

- наличие условий для построения районных (локальных), корпоративных и прочих сетей с интеграцией услуг;

- возможность централизованного управления (включая диагностику) и обслуживания абонентского оборудования также является весомым фактором;

- обеспечение приема и просмотра на экране телевизора информации из Web, а на мониторе компьютера - ТВ программ.

На рис. 1.2 приведен принцип организации широко- и узкополосных услуг по сети КТВ. Сеть позволяет предоставлять широкополосные (программы аналогового и цифрового ТВ и радиовещания (РВ)) и узкополосные (передача данных, телефония и др.) услуги.

На головную станцию Находится в «голове» сети. (ГС) поступают ТВ и РВ сигналы наземного (НТВ) и спутникового телевидения (СТВ), сигналы, передаваемые по радиорелейным и кабельным линиям, например, от местной телестудии. Принятые в диапазоне частот 48…862 МГц радиосигналы обрабатываются, конвертируются и в передающем устройстве (ПУ) прямого потока (ПП) преобразуются в оптический линейный сигнал (Э/О преобразование), который поступает в оптическую сеть. Здесь сигнал передается и распределяется при помощи пассивных сетевых компонентов - оптических волокон (ОВ) и оптических ответвителей (ОО), после чего попадает на приемные устройства оптических узлов.

Оптический узел Содержит ПрУ прямого и передающее (ПУ) обратного каналов, блок питания и др. (ОУ), устанавливаемый в центре микрорайона (группы многоквартирных домов), потенциально способен обслужить от 400 до 2000 абонентов. В приемном устройстве оптического узла осуществляется О/Э преобразование оптического сигнала и усиление группового радиочастотного сигнала. Этот сигнал передается по существующей коаксиально-кабельной (домовой) сети в помещения абонентов, где установлены ТВ приемники.

Рассмотрим кратко принцип работы сети, структурная схема которой приведена на рис. 1.3.

1.3 Основные требования к проектированию

Качество приема сигналов в сети зависит от оптической мощности, поступающей на приемное устройство. В случае передачи аналоговых ТВ сигналов основными параметрами качества, используемыми при проектировании, являются отношение несущая/шум (ОНШ) (Carrier-to-Noise Ratio - CNR) и суммарные нелинейные искажения - комбинационные искажения второго (Composite Second Order - CSO) и третьего порядка (Composite Triple Beat - CTB). Нелинейные искажения возникают, в основном, в оптическом передающем устройстве. Значения параметров CSO и CTB для приемных устройств большинства изготовителей намного выше системных требований, так что продукты нелинейности можно не учитывать при учебном проектировании.

Нисходящий поток

Проектирование оптического участка гибридной сети доступа для прямого (нисходящего) потока Более широкополосного, чем обратный поток. (направление ГС абонент) начинают с ее конца - с оптических узлов. Задавшись требуемыми уровнями мощности на входе приемных устройств (ПрУ) прямого потока, и учитывая потери в оптических волокнах и ответвителях, постепенно продвигаются к началу сети - передающему устройству (ПУ), установленному на головной станции (ГС), и определяют требуемую мощность ПУ, при которой на выходах всех ПрУ обеспечивается заданное (техническими требованиями) качество передачи. После этого необходимо рассчитать коэффициенты разветвления ответвителей.

Восходящий поток

При передаче данных в нисходящем и восходящем направлениях критерием качества является коэффициент ошибок (BER). Известно, что для обеспечения заданного качества цифровой передачи, требуется значительно меньшая мощность оп-тического сигнала на входе ПрУ. Это связано с различиями в критериях качества - для анало-говой передачи требуется ОНШ 43 дБ, а для цифровой отношение сигнал/шум (ОСШ) 12 дБ для обеспечения BER = 10-10. Именно поэтому на входе ПрУ аналоговых сигналов требуется су-щественно больший уро-вень оптической мощнос-ти (-10…0 дБм), чем на входе ПрУ цифровых сигналов (-20…-35 дБм) для обеспечения соот-ветствующего качества передачи.

Изготовители активного оборудования приводят графики (рис. 1.4), необходимые для проектирования оптических сетей доступа, которые показывают зависимость значения ОНШ на выходе ПрУ прямого потока (при загрузке тракта передачи N каналами ТВ (N = 5, 10, 24, 40. 79 и 110)) от уровня оптической мощности на его входе [10]. При загрузке тракта числом каналов, отличным от указанных на рис. 1.3, следует использовать ближайшую кривую или метод интерполяции. Например, если требуется загрузка тракта 80-ю каналами, то можно использовать кривую для 79 каналов. Если требуется загрузка 7-ю каналами, то надо выбрать среднее значение между кривыми, соответствующими загрузке 5-ю и 10-ю каналами.

Условия, выполнение которых необходимо при проектировании волоконно-оптической сети доступа [5]:

1) применяется только одномодовые (ОМ) оптические компоненты - лазерные диоды в ПУ, оптическое волокно согласно с рек. МСЭ G.652, соединители (табл. П.3.1), ответвители (табл. П.3.2);

2) используются оптические разъемные соединители с «физическим контактом» и угловой сферической полировкой торцов (тип АРС), неразъемные соединения строительных длин оптического кабеля выполняются сваркой, чтобы снизить уровень обратных отражений, ухудшающих работу системы (уровень обратных отражений должен быть ниже -55 дБ);

Таблица 1.2 - Параметры стандартных одномодовых ОВ и ОК согласно рек. G.652

3) необходимо определить (а на практике лучше измерить) затухание в каждом сегменте ОВ на рабочей длине волны. Параметры передачи стандартного одномодового ОВ приведены в табл. 1.2;

Указанные в табл. 2.1 значения коэффициента затухания не учитывают потерь в разъемных соединителях, в местах соединения строительных длин кабеля (при помощи сварки) и потерь вследствие изгибов волокон в проложенном кабеле;

4) уровень мощности передающего устройства прямого потока, найденный расчетным путем, следует увеличить на 1..2 дБ. Это так называемый эксплуатационный запас [4], который расходуется в период эксплуатации сети на компенсацию деградации компонентов линейного тракта, а также на возможные повреждения/восстановления оптического кабеля;

5) проверку максимальной дальности передачи по широкополосности (дисперсии) не производят, поскольку расстояния передачи обычно не превышают нескольких единиц-десятков километров, а в передающем устройстве прямого потока используются специальные лазерные диоды Специальные лазерные диоды с распределенной обратной связью (РОС). с узким спектром излучения.

2 Расчет звездообразной сети

Выполним проектирование звездообразной оптической сети (рис. 1.6) с одним передающим узлом и четырьмя приемными оптическими узлами, к каждому из которых прокладывается отдельный ОК. Передающее устройство и пассивный оптический ответвитель (ОО) 1 x 8 находятся в помещении головной станции. Индивидуальные кабели (волокна), обозначенные латинскими буквами А, B, C, D, E, F, G, и H проложены соответственно до приемных устройств оптических узлов 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8. Необходимо рассчитать мощность оптического передающего устройства, при которой обеспечивается требуемое качество передачи - значение ОНШ на выходе оптических узлов 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8. Также необходимо определить коэффициенты разветвления оптического ответветвителя 1 x 8, которые обеспечивают требуемые оптические мощности на входах приемных устройств узлов 1…8.

Длины сегментов ОК: lA = 10 км, lВ = 10 км, lC = 7 км, lD = 22 км,

lE =14 км, lF =6км, lG =9км, lH = 6км. При таких (достаточно больших) длинах сегментов кабеля (>10км) следует выбрать рабочую длину волны 1550 нм на которой коэффициент затухания стандартного одномодового ОВ равен 0,25 дБ/км c учетом потерь в неразъемных (сварных) соединениях строительных длин ОК.

Рис.2.1- Структурная схема звездообразно оптической сети для прямого канала

Таблица 1.4 - Исходные данные для расчета оптической сети с топологией звезда на длине волны 1550 нм (прямой поток)

Шаг 1 - Определим требуемые уровни оптической мощности (p9…p16) дБм на оптических входах приемных устройств узлов 1…8, при которых обеспечивается необходимое значение ОНШ1,2,3,4,5,6,7,8. Для этого используем соответствующую кривую на рис. 1.4 для загрузки тракта 40 каналами ТВ и передачи данных (ПД) в нисходящем направлении в формате QAM: Шаг 1 - Определим требуемые уровни оптической мощности (p9…p16) дБм на оптических входах приемных устройств узлов 1…8, при которых обеспечивается необходимое

- для обеспечения ОНШ1 = 44 дБ требуется оптическая мощность с уровнем p9 = -8 дБм;

- для обеспечения ОНШ2 = 38 дБ требуется оптическая мощность с уровнем p10 = -12 дБм;

- для обеспечения ОНШ3 = 39 дБ требуется оптическая мощность с уровнем p11 = -11,2 дБм, округляем это значение до p12 = -11 дБм;

- для обеспечения ОНШ4 = 50 дБ требуется оптическая мощность с уровнем p12 = -3,6 дБм, округляем это значение до p12 = -4 дБм.

- для обеспечения ОНШ4 = 51 дБ требуется оптическая мощность с уровнем p13 = -3 дБм.

- для обеспечения ОНШ4 = 47 дБ требуется оптическая мощность с уровнем p14 = -5,9 дБм, округляем это значение до p14 = -6 дБм.

- для обеспечения ОНШ4 = 45 дБ требуется оптическая мощность с уровнем p15 = -7,1 дБм, округляем это значение до p15 = -7 дБм.

- для обеспечения ОНШ4 = 53 дБ требуется оптическая мощность с уровнем p16 = -1,1 дБм, округляем это значение до p16 = -1 дБм.

Шаг 2. Определим уровни оптической мощности p1…p8 на выходных полюсах ответвителя:

- добавляя к уровню мощности на входе оптического узла 1 p9 затухание аA в волокне А, получаем

p1 = p9 + аA = -8 дБм + 2,5 дБ = -5,5 дБм;

- добавляя к уровню мощности на входе оптического узла 2 p10 затухание аВ в волокне В, получаем:

p2 = p10 + аВ = -12 дБм + 2,5 дБ = -9,5 дБм;

- добавляя к уровню мощности на входе оптического узла 3 p11 затухание аС в волокне С, получаем

p3 = p11 + аС = -11 дБм + 1,75 дБ = -9,25 дБм;

- добавляя к уровню мощности на входе оптического узла 4 p12 затухание аD в волокне D, получаем

p4 = p12 + аD = -4 дБм + 5,5 дБ = 1,5 дБм.

- добавляя к уровню мощности на входе оптического узла 2 p13 затухание аE в волокне E, получаем:

P5 = p13 + аE = -3 дБм + 3,5 дБ = 0,5 дБм;

- добавляя к уровню мощности на входе оптического узла 3 p14 затухание аF в волокне F, получаем

P6 = p14 + аF = -6 дБм + 1,5 дБ = -4,5 дБм;

- добавляя к уровню мощности на входе оптического узла 4 p15 затухание аG в волокне G, получаем

P7 = p15 + аG = -7 дБм + 2,25 дБ = -4,75 дБм.

- добавляя к уровню мощности на входе оптического узла 4 p16 затухание аH в волокне H, получаем

P8 = p16 + аH = -1 дБм + 1,5 дБ = 0,5 дБм.

Шаг 3. Пересчитаем уровни мощности p1…p8 (дБм) на выходных полюсах ответвителя в значения мощности P1…P8 (мВт) по формуле
Pi = 10[рi(дБм)/10]:

P1 = 10[р1(дБм)/10] = +10(-5,5/10) = 0,28 мВт;

P2 = 10[р2(дБм)/10] = +10(-9,5/10) = 0,112 мВт;

P3 = 10(р3(дБм)/10) = +10(-9,25/10) = 0,1189 мВт;

P4 = 10(р4(дБм)/10) = +10 (1,5/10) = 1,4 мВт.

P5 = 10[р1(дБм)/10] = +10(0,5/10) = 1,122 мВт;

P6 = 10[р2(дБм)/10] = +10(-4,5/10) = 0,35 мВт;

P7 = 10(р3(дБм)/10) = +10(-4,75/10) = 0,33 мВт;

P8 = 10(р4(дБм)/10) = +10 (0,5/10) = 1,122 мВт.

Шаг 4. Рассчитаем суммарную оптическую мощность на выходных полюсах ответвителя

Pсум = (P1 + P2 + P3 + P4 + P5 + P6 + P7 + P8 = (0,28 + 0,112 + 0,1189 + 1,4+1,122+0,35+0,33+1,122) = 4,8349 мВт.

Шаг 5. Увеличим Pсум на 20%, чтобы учесть дополнительные потери в реальном ответвителе (обозначим ее Pпу), она является мощностью на входном полюсе ответвителя, т.е. на выходе ПУ

Pпу = 1,2(Pсум) = 1,24,8349 = 5,8 мВт.

Шаг 6. Пересчитаем мощность Pпу в уровень мощности pпу = 10lg(5,8) = 7,6 дБм. Минимально необходимый уровень мощности оптического ПУ равен 7,6 дБм. (Отметим, что увеличение выходной мощности оптического передатчика улучшает качество передачи - значение ОНШ.)

При расчетах не был учтен эксплуатационный запас Запас на старение оборудования сети (ПУ, ПрУ, ОО и ОВ) и возможные повреждения-восстановления ОК., который для аналоговых ВОСП составляет азап = 1…2 дБ [4]. С учетом запаса следует выбрать оптическое передающее устройство с уровнем мощности pпу 10 дБм. Выберем модель PWL 4811 компании Harmonic Lightwaves [10] с
pпу = (10,5 1) дБм на = 1550 нм.

Шаг 7. Рассчитаем коэффициенты разветвления мощности ответвителя по формуле Pотв = 100(Pотв/Pсум), где Pотв - мощность, ответвляемая в любой выходной полюс, Pсум - суммарная мощность на всех выходных полюсах:

- для полюса 1 - P1 = 100(0,28/4,8) = 5,8%;

- для полюса 2 - P2 = 100(0,112/4,8) = 2,3%;

- для полюса 3 - P3 = 100(0,1189/4,8) = 2,5%;

- для полюса 4 - P4 = 100(1,4/4,8) = 29,2%.

- для полюса 5 - P5 = 100(1,122/4,8) = 23%;

- для полюса 6 - P6 = 100(0,35/4,8) = 7,2%;

- для полюса 7 - P7 = 100(0,33/4,8) = 6,8%;

- для полюса 8 - P8 = 100(1,112/4,8) = 23%.

Шаг 8. Сумма коэффициентов 5,8% + 2,3% + 2,5% + 29,2% + 23% + 7,2% + 6,8% +23% = 100%. Расчет коэффициентов разветвления выполнен верно.

Рис 2.2 Расчетная схема звездообразной оптической сети для прямого канала

3 Диаграмма уровней мощности

Диаграмма уровней мощности (ДУМ) - это график зависимости уровня мощности (дБм) в сети от расстояния (км) на участке «передающее устройство ПП - приемное устройство ПП» наиболее удаленного оптического узла в конце периода эксплуатации сети, когда исчерпан эксплуатационный запас (азап.= 0) ДУМ графически отображает изменение уровня мощности сигнала прямого потока в элементах сети. В пассивных элементах сети уровень мощности сигнала уменьшается, а в активных, например, оптическом усилителе или регенераторе - увеличивается.

Построим ДУМ для заданной звездообразной сети. ДУМ в такой случае строится для самого длинного участка (на участке ГС - волокно D - оптический узел 4). Исходными данными для ее построения послужили результаты расчета уровней мощности сигнала (для прямого канала) в основных точках сети (табл. 1.9), полученные в подразделе 4.

Таблица 3.1 - Уровни мощности сигнала для прямого потока в основных точках сети типа звезда в конце срока эксплуатации (азап = 0)

Приведем диаграмму уровней мощности для сети типа «звезда». (рис.3.1)

4 Разработка структурной схемы сети с обратным каналом

4.1 Разработка структурной схемы сети

Для составления полной структурной схемы сети следует дополнить сеть передачи прямого потока (см. рис. 1.6, 1.7 или 1.8) активными и пассивными элементами для создания обратного канала передачи (узкополосные услуги в направлении «абонент-ГС»). При модернизации оптической сети КТВ под двунаправленную передачу сигналов возможны два следующих решения.

1. В простейшем случае для передачи сигналов в направлении
«абонент-ГС» можно задействовать свободные оптические волокна в конструкции ОК. Для этого необходимо установить в помещениях оптических узлов передающие, а в помещении ГС - приемные устройства обратного потока, соответственно.

2. Альтернативным, и технически более сложным, решением является применение WDM технологии, которая позволяет двунаправленную передачу сигналов по одному волокну во встречных направлениях. Для этого используется две длины волны, например, 1 = 1550 нм для прямого потока и
2 = 1310 нм - для обратного. Разумеется, на ГС и в оптических узлах необходимо установить спектральные мультиплексоры (оптические фильтры), разделяющие сигналы встречных направлений передачи на 1 и 2. При расчете такой сети требуется учесть потери мощности в спектральных мульти-демультиплексорах.

В качестве примера на рисунке приведена полная структурная схема разработанной сети типа «звезда», в которой для создания обратного канала используются отдельные ОВ в составе многоволоконного ОК - сеть «точка-точка». В помещении ГС установливается оборудование терминальной системы кабельной модемной связи (ТСКМС), одно передающее устройство прямого потока (ПУ ПП) и восемь приемных устройств обратного потока (ПрУ ОП). В каждом из восьми оптических узлов устанавливается по одному приемному устройству прямого потока (ПрУ ПП) и одному передающему устройству обратного потока (ПУ ОП). Модемы, установленные в помещенииях абонентов, получают (по коаксиально-кабельной сети) поток нисходящих данных с выхода ПрУ ПП и отправляют поток восходящих данных (по КК) в сторону ГС при помощи ПУ ОП.

Все каналы связи ПУ ОППрУ ОП организуется по отдельным ОВ. При этом на различных сегментах сети потребуются оптические кабели с различным числом рабочих ОВ. Расчет необходимого числа рабочих и резервных («темных») ОВ приведен в табл. 4.1. Число муфт Nм = li/lс - 1, шт., где li - длина i-го сегмента сети (км) и lс = 2 км - строительная длина ОК при прокладке в кабельной канализации.

Таблица 4.1 - Расчет необходимого числа ОВ в сегментах ЛОК и количества муфт

4.2 Выбор оборудования обратного канала

Выберем активное оборудование для организации обратного потока и проверим его работоспособность для канала с максимальной (ПУ ОП-4 - ПрУ ОП-4, l4 = 22 км) и минимальной (ПУ ОП-8 - ПрУ ОП-8, l1 = 6 км) длиной.

1. Для рабочей длины волны 1310 нм коэффициент затухания ОВ в ОК составляет 0,5 дБ/км в конце срока эксплуатации, строительная длина ОК
lс = 2 км.