ОДЕСЬКА НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ ЗВ’ЯЗКУ ім. О.С. ПОПОВА

РОМАНЧУК ВАСИЛЬ ІВАНОВИЧ

УДК 621.391.6:535.581

ДОСЛІДЖЕННЯ ЗАВАД В

ТРАНСПОРТНИХ DWDM МЕРЕЖАХ

05.12.02 – телекомунікаційні системи та мережі

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Одеса – 2007

Дисертацією є рукопис

Робота виконана у Національному університеті “Львівська політехніка”

Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник: доктор технічних наук, доцент

Климаш Михайло Миколайович, Національ-ний університет “Львівська політехніка”, заступник завідувача кафедри телекомунікацій

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, доцент

Лісовий Іван Павлович, Одеська національна академія зв’язку ім. О.С. Попова, професор кафедри телекомунікаційних систем

кандидат технічних наук, доцент

Бессараб Володимир Іванович, Донецький Національний технічний університет, завідую-чий кафедри автоматики і телекомунікацій

Захист дисертації відбудеться 24 січня 2008 р. о 10.00 год. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д .816.02 в Одеській національній академії зв’язку ім. О.С. Попова за адресою: 65029, м. Одеса, вул. Ковальська, 1.

З дисертацією можна ознайомитись у науковій бібліотеці Одеської національної академії зв’язку ім. О.С. Попова за адресою: 65029, м. Одеса,
вул. Ковальська, 1.

Автореферат розісланий 18 грудня 2007 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради

к.т.н., доцент А.Г. Ложковський

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. В сучасних телекомунікаційних системах основні функціональні властивості фізичного рівня моделі ISO/OSI транспортних DWDM мереж, такі як: підсилення, крос-з’єднання, комутація, контроль і діагностика забезпечуються за допомогою опто-електронних перетворень в кожному вузлі мережі. Розвиток мереж приводить до введення нових вузлів і компонентів мережі та виникнення явищ, які не завжди можливо передбачити та врахувати в процесі проектування, тому важливо розвинути методи моделювання для удосконалення проектування та підвищення якості результуючих технічних рішень, що забезпечують конфігурування структури мережі та її адаптацію до змін навантаження. Різні вимоги клієнтів до смуги пропускання роблять опто-електронне перетворення небажаним до застосування та нерентабельним. В повністю оптичних мережах використовуються оптичні компоненти, що дозволяють зменшити вартість і забезпечити високу гнучкість при об’єднанні різних типів даних. Інша характеристика транспортних мереж – це присутність тисяч кілометрів вже прокладеного оптичного волокна, яке може містити як старі, так і нові оптичні сегменти. Робота зі старими волокнами призводить до збільшення дисперсії, нелінійних явищ, перехресних завад та збільшення затухання у волокні, що зумовлює застосування додаткових оптичних компонентів.

В даний час існує ряд програмних пакетів для моделювання DWDM мереж, всі вони забезпечують можливість дослідження роботи фізичного рівня транспортних DWDM мереж для топології “точка-точка” та використовують відомі частотно-часові методи. Однак час обчислень, який необхідний для моделювання оптичних мереж робить ці методи непрактичними у багатьох випадках. DWDM тракти на вітчизняних мережах реалізуються часто на основі вже прокладених оптичних волокон, шляхом встановлення апаратних слотів, розрахованих на лінійку канальних частот багатоканальних систем передавання замість або разом із слотами систем старших поколінь ієрархії DWDM, що, по-перше, обумовлює концентрацію відносно високих потужностей оптичного випромінювання у вузьких смугах спектрального діапазону тракту, а по-друге, поряд із високими потужностями утворюється складна спектральна картина, яка підкреслює необхідність врахування розсіювань енергії у спектрах систем передавання та міжканальні впливи.

У створені і розвитку транспортних оптичних мереж істотний внесок внесли вчені: Каток В.Б., Стеклов В.К., Дианов Е.М., Убайдуллаев Р.Р., Скляров О.К., Семенов А.Б., Roger L.Freman, Stamatios V. Kartalopoulos.

Таким чином, однією з основних проблем повністю оптичних транспортних мереж є накопичення завад, відповідно дослідження впливу завад є актуальним як у теоретичному, так і у практичному аспектах. Враховуючи актуальність даної тематики, доцільним є комплексне дослідження елементної структури мережі, тобто множини елементів транспортної системи, сконфігурованих для утворення наскрізного оптичного каналу передавання інформації в транспортних мережах зі спектральним ущільненням.

Метою роботи є підвищення пропускної здатності транспортних DWDM мереж шляхом зменшення завад і покращення параметрів мережі.

Об’єкт дослідження: транспортні DWDM мережі.

Предмет дослідження: завади та елементна структура транспортних DWDM мереж.

Поставлені у роботі задачі:

1. Удосконалити метод розрахунку впливу завад фізичного рівня (шуми підсилювача, паразитна дисперсія, міжканальні перехресні завади, нелінійні явища і поляризаційні ефекти) на співвідношення Рс/Рш в транспортних DWDM мережах, що дозволить визначити компоненти та нелінійні явища, які найбільше погіршують відношення сигнал/шум в кожному спектральному каналі.

2. Розробити модель завад в транспортній DWDM мережі, яка забезпечить можливість дослідити залежність відношення Рс/Рш від параметрів та елементної структури мережі.

3. Розробити методику зменшення коефіцієнта помилок шляхом зменшення завад, тобто визначення найкращих параметрів та елементної структури транспортної DWDM мережі.

4. Дослідити залежність відношення Рс/Рш від способу об’єднання кільцевих структур DWDM мереж і проаналізувати параметри та конфігурацію обладнання.

Методи досліджень. В дисертаційних дослідженнях були застосовані теорія систем зв’язку, методи математичної статистики та теорії ймовірності, прикладної фізичної оптики, методи багатократного перебору та імітаційного моделювання.

Наукова новизна отриманих результатів. У ході виконання дисертаційної роботи отримано наступні нові наукові результати:

1. Розроблено методику зменшення коефіцієнта помилок у транспортній DWDM мережі на основі поканального визначення найкращих параметрів та конфігурації компонентів.

2. Удосконалено метод розрахунку відношення Рс/Рш, який дозволяє достовірно визначити відношення Рс/Рш в транспортних DWDM мережах шляхом врахування впливу перехресних завад, які можуть виникнути внаслідок нелінійних явищ.

3. Вперше досліджено залежність відношення Рс/Рш від способу об’єднання кільцевих структур транспортних DWDM мереж.

4. Запропоновано модель завад DWDM тракту оптичної мережі, яка дозволяє досліджувати відношення Рс/Рш для різних елементних структур та їх параметрів.

Практичне значення одержаних результатів полягає в наступному:

1. Розроблено методику визначення оптимальної структури, яка забезпечує підвищення відношення Рс/Рш в тракті на 8-12 дБп в залежності від структури тракту, дана методика використовується для вибору найкращої конфігурації обладнання, як частина комплексної системи автоматичного проектування транспортних DWDM мереж, а також в навчальному процесі для отримання теоретичних знань та практичних навиків у дослідженнях, що пов’язані з впровадженням повністю оптичних мереж.

2. Результати роботи можуть бути використані для проектування оптичних транспортних мереж, підвищення співвідношення Рс/Рш в DWDM тракті, що в свою чергу дозволить збільшити довжину регенераційної ділянки і пропускну здатність мережі, оцінити максимально можливі значення Рс/Рш для кожного частотного каналу та визначити коефіцієнт помилок систем передавання на основі вибраного обладнання, а також визначити потенційні можливості і обмеження вже прокладених оптичних лінійних трактів стосовно максимальної швидкості передавання і довжини регенераційної ділянки.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Тема дисертаційної роботи відповідає науково-технічному напрямку ВАТ «Укртелеком», а також науковим планам кафедри «Телекомунікації» Національного університету «Львівська політехніка». Результати досліджень увійшли до складу науково-технічних звітів та впроваджені замовниками: госпдоговірної НДР “Дослідження та оптимізація міських транспортних інфокомунікаційних мереж”, (2007 р.), номер держ. реєстрації № 0107U000822; госпдоговірної НДР “Дослідження і оптимізація структури і топології інфокомунікаційних систем і мереж” (ДБ/Структура), (2006 – 2007 рр.), номер держ. реєстрації № 0106U009587; госпдоговірної НДР “Основні принципи функціонування DWDM-систем: пропускна здатність і міжканальні завади. Розробка імітаційної моделі DWDM-оптичного лінійного тракту”, (2005 –2006 рр.), номер держ. реєстрації № 0107U001127, а також впроваджені у навчальний процес кафедри «Телекомунікації» НУ «Львівська політехніка» для підготовки фахівців з напрямку «Телекомунікації» і спеціальностей «Інформаційні мережі зв’язку» та «Телекомунікаційні системи та мережі».

Результати наукових досліджень впроваджені у відділі планування та розвитку мереж Львівської філії ВАТ «Укртелеком» та Центрі технічної експлуатації №6 Дирекції первинної мережі ВАТ “Укртелеком”.

Особистий внесок здобувача. Результати наукових, теоретичних і практичних досліджень, викладені в дисертації, одержані автором особисто: [10, 11, 14] – вдосконалений метод розрахунку Рс/Рш в транспортних повністю оптичних DWDM мережах, розроблена модель DWDM тракту, наведені результати моделювання, методика структурної та параметричної оптимізації. У працях, опублікованих у співавторстві, аспірантові належать: методика розрахунку навантаження цифрових лінійних трактів між вузлами транспортних мереж [1]; аналіз методів резервування синхронних транспортних мережних трактів [2]; вдосконалений метод розрахунку перехресних міжканальних завад в транспортних телекомунікаційних системах [3]; аналіз моделей перехресних завад в мережах зі спектральним ущільненням каналів [4]; запропонована модель швидкісної комутації [5]; аналіз методів та конфігурації систем захисту в синхронних оптичних транспортних мережах [6]; метод розрахунку навантаження в синхронних мережах [7]; дослідження ефек-тивності використання різних видів трафіку в транспортних мережах [8]; результати дослідження ефективності використання ємності каналів транспорт-ної мережі для різних видів трафіку [9]; методика оптимізації потоків у мере-жах з кільцевою топологією [12]; модель та результати моделювання пара-метрів мультихвилевих оптичних мереж [13].

Апробація результатів дисертації. Основні результати роботи доповідались на наступних конференціях: «Advanced Optoelectronics and Lasers» – CAOL-2003, «Laser and Fiber-Optical Networks Modelling» – LFNM-2003 (м. Алушта, р.); VIІ Международная научно-практическая конференция “Системы и средства передачи и обработки информации” ССПОИ-2003. – Одесса, Украина; Міжнародна конференція "Сучасні проблеми радіоелектроніки, телекомунікацій і комп'ютерної інженерії – TCSET-2004"

(Львiв-Славсько, 24-28 лютого 2004 р.); VIII Международная научно-практи-ческая конференция «Системы и средства передачи и обработки информации». – Одеcса, 2004; Міжнародна науково-технічна конференція «Сучасні проблеми радіоелектроніки, телекомунікацій та комп’ютерної інже-нерії» TCSET-2006. Львів-Славсько, Україна, 28 лютого – 4 березня 2006 року.

Публікації. Всі наукові положення і висновки дисертаційної роботи опубліковано повністю у 14 наукових працях, з них 9 – в статтях у провідних виданнях, згідно переліку, що затверджений ВАК України, 5 – в матеріалах міжнародних та національних наукових конференцій.

Структура та обсяг роботи. Робота складається із вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел та додатків. Загальний обсяг роботи складає 171 сторінок друкарського тексту: 60 рисунків, 9 таблиць, список використаних джерел зі 114 найменувань, 4 додатки.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЙНОЇ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано необхідність розробки нових математичних моделей та методик оптимізації транспортних DWDM мереж. Вказано на зв’язок роботи з науковими програмами, сформовано мету і задачі дослідження, наукову новизну і практичне значення отриманих результатів. Подано дані про особистий внесок здобувача, апробацію результатів роботи та публікації.

В першому розділі – «Транспортні мережі на основі технології DWDM» – проведено системний огляд стану проблеми, розглянуто особливості будови і функціонування оптичних транспортних мереж, обмеження, критичні параметри та загальні вимоги до систем передавання зі спектральним розділенням каналів. Проведено аналіз шумових характеристик компонентів транспортних DWDM мереж, параметрів, які обмежують пропускну здатність каналів зв’язку, нелінійних явищ і їх вплив на відношення Рс/Рш. Особливу увагу приділено методам оцінки перехресних завад в транспортних DWDM мережах, впливу перехресних завад на відношення Рс/Рш в кожному спектральному каналі. Розглянуто математичні моделі завад в транспортних DWDM мережах, проаналізовано існуючі підходи математичного представлення мереж зі спектральним розділенням каналів.

Проведений огляд показав, що методи аналізу транспортних DWDM мереж, які засновані на частотно-часовому представленні сигналу, ефективно використовуються для топології точка-точка, а для інших топологій використовувати даний підхід недоцільно. Класичний підхід, заснований на енергетичному бюджеті волоконно-оптичних систем передачі з спектральним розділенням, не дозволяє визначити відношення Рс/Рш. Тому при розрахунку транспортних DWDM мереж за класичним підходом Рс/Рш необхідно розрахо-вувати додатково. Існуючі методи розрахунку відношення Рс/Рш в транспортних DWDM мережах не дозволяють провести розрахунки для кожного спектрального каналу з достовірним врахуванням впливу нелінійних явищ і перехресних завад. Тому існує необхідність в розробці нових та вдосконаленні існуючих методів розрахунку відношення Рс/Рш для таких мереж.

Другий розділ – «Модель завад транспортної DWDM мережі» – присвячено питанню побудови математичної моделі завад в транспортних DWDM мережах, яка дозволяє досліджувати відношення Рс/Рш в транспортній DWDM мережі для різних параметрів і конфігурації мережі.

Можливості експериментальних досліджень на транспортних DWDM мережах досить обмежені, тому важливою задачею є створення моделі завад з максимальною адекватністю і функціональною повнотою.

Представимо завади в транспортній DWDM мережі за допомогою наступної матриці:

, ()

де – обернене відношення Рс/Рш на виході k-го компонента системи або після впливу нелінійного явища в і-му каналі, аk,і – визначає рівень завади та шуми k-го компонента системи або впливи нелінійного явища в і-му каналі на оптичний сигнал, , – вектор параметрів k-го компонента або нелінійного явища, xk,і – коефіцієнт, який виражає потужність сигналу на вході в k-ий компонент.

Показано, що відношення Рс/Рш маршруту {Hj,l} передачі даних між вузлами j i l є обернене значення суми елементів матриці (1), через які проходить маршрут передачі даних.

, . (2)

Припустивши, що вхідна потужність в кожному каналі рівна (х1,і = х1,і+1), транспортну DWDM мережу можна описати системою рівнянь (3), розв’язок якої відносно {х} дозволяє визначити компоненти або нелінійні явища, що найбільше знижують відношення Рс/Рш у каналі.

(3)

Отже, задача визначення компонентів або нелінійних явищ, які найбільше впливають на відношення Рс/Рш на виході системи зі спектральним ущільненням каналів зводиться до визначення коефіцієнтів аk,і системи (3) при заданому векторі параметрів . А задача вибору оптимальної структури DWDM тракту зводиться до вибору параметрів вектора . В даному випадку доцільно використовувати багатокритеріальну оптимізацію DWDM тракту.

Проведений аналіз показав, що при розрахунку відношення Рс/Рш на виході маршруту в DWDM мережі необхідно враховувати вплив не тільки основних компонентів, але й нелінійних явищ і перехресних завад. На рис. 1 зображено елементну структуру оптичного тракту передачі даних між двома вузлами транспортної DWDM мережі, які необхідно враховувати.

Рис. . Елементна структура еквівалентного оптичного тракту транспортної DWDM мережі (PP – вимушене комбінаційне розсіювання Рамана,

Д – дисперсія, ПФС – перехресна фазова модуляція, РБМ – вимушене зворотне розсіювання Бріллюена-Мандельштама, ЧХЗ – чотирихвильове змішування,
ФС – фазова самомодуляція)

У роботі визначено коефіцієнти аk,i матриці (1) для основних компонентів транспортної оптичної мережі, а також виведені коефіцієнти для визначення впливів нелінійних явищ та перехресних завад:

1. ЧXЗ приводить до появи нових гармонік, частина з них потрапляє в канали системи DWDM і викликає перехресні завади, які впливають на передачу основного сигналу. При збільшенні кількості каналів в системі DWDM число гармонік різко зростає. Проте не всі гармоніки, що з'явилися, потрапляють в смугу частот каналів системи. Отже, коефіцієнти для ЧХЗ мають вигляд:

, , (4)

де Di – коефіцієнт виродження, г – коефіцієнт нелінійного поширення, Lеff – ефективна довжина волокна, Pi – вхідна потужність у і-й канал, L – довжина волокна, б – загасання волокна, з – коефіцієнт ефективності ЧХЗ.

2. РР як нелінійне явище найбільше проявляться саме в системах із спектральним розділенням каналів і призводить до підсилення довгохвильових каналів за рахунок ослаблення короткохвильових, причому перекачування потужності між каналами, що виникає внаслідок РР зростає із збільшенням відстані між ними в межах ширини спектру комбінаційного підсилення:

, , (5)

де fj – частота j-го каналу, fі – частота і-го каналу, N – кількість каналів в тракті, Pj – вхідна потужність в j-ий канал, Leff – ефективна довжина волокна,
Аeff – ефективна площа серцевини, g – Раманівський коефіцієнт зв’язку і-го каналу з 0-м каналом.

3. Вимушене зворотне розсіювання Бріллюена-Мандельштама встановлює верхню межу на рівень оптичної потужності, що може бути передана оптичним волокном:

, , (6)

де ?нBL – частотна ширина каналу, ?нBW – ширина смуги вимушеного зворотного розсіювання Бріллюена-Мандельштама, Ppr – поріг вимушеного зворотного розсіювання Бріллюена-Мандельштама для і-го каналу.

4. Фазова самомодуляція (ФС), як і ЧХЗ, виникає внаслідок залежності показника заломлення матеріалу від інтенсивності електромагнітного поля. Поріг ФС умовний, ос-кільки в значній мірі залежить від типу ОВ. Коефіцієнт для ФС має наступний вигляд:

, , (7)

де Ф(ФСі) – величина зміни фази в радіанах внаслідок ФС для і-го каналу,
kФС – коефіцієнт ФС.

5. Перехресна фазова модуляція (ПФМ) дуже схожа з ФС, але розглядається вже стосовно двох і більше оптичних каналів, тобто стосовно DWDM систем:

, , (8)

де Ф(ПФМі) – величина зміни фази в радіанах в наслідок ПФМ для і-го каналу, kПФМ – коефіцієнт ПФМ.

Запропонована методика, у порівнянні з методиками заснованими на частот-но-часовому підході не дозволяє визначити спотворень форми і спектру сиг-налу внаслідок проходження сигналу через канал зв’язку, але при цьому скоро-чується час для визначення коефіцієнта помилок каналу.

Отримана модель завад транспортної DWDM мережі дозволяє врахувати вплив активних і пасивних компонентів системи, а врахування впливу нелінійних явищ дозволяє точніше визначити відношення Рс/Рш і, відповідно, коефіцієнт помилок кожного каналу при високих швидкостях передавання.

В третьому розділі – «Дослідження завад транспортних DWDM мереж та оцінка адекватності моделі» – проведено моделювання та дослідження завад в транспортній DWDM мережі, а також доведено адекватність запропонованої моделі завад.

Запропонована модель дозволяє досліджувати залежність відношення Рс/Рш і коефіцієнта помилок від параметрів мережі та параметрів компонентів , а також визначити максимальну швидкість передавання і кількість каналів, яку можна досягнути при заданих параметрах мережі.

Для дослідження параметрів транспортної DWDM мережі було обрано найбільш поширену кільцеву топологією, що зображено на рис. . Для спрощення обчислень вважаємо, що у всіх вузлах встановлене однотипне обладнання і відстань між вузлами однакова. Передбачається, що клієнту надається один спектральний канал, рівня STM-64 або STM-256 з врахуванням перспективи впровадження нових видів послуг. Доступ до вузлів забезпечують мультиплексори вводу/виводу.

Мережа побудована на 40 каналах, і вони розділені на дві групи (C- і L-групи). Кожна група за спектром, крім того, розділена на дві/шість інших підгруп з індивідуальними довжи-нами хвиль, які розташо-вані на відстані 12,5 ГГц одна від другої і захисний інтервал, що розміщується між групами. На цей захисний інтервал накладені обмеження технологій оптичних смугових фільтрів. Спосіб об'єднання дуже важливий, оскільки він дозволяє ієрархічне мультиплексування каналів в кож-ному вузлі. Демультиплексування в кожному вузлі у багатьох випадках не є необхідним для кожної довжини хвилі і тому транзитний вузол є дуже ефектив-ним, економічно вигідним рішенням, що також приводить до зменшення затухання сигналу. Моделювання проведемо для найдовшого маршруту Н11-8 = {1-2, 2-3, 3-4, 4-5, 5-6, 6-7, 7-8}. Параметри модельованої мережі (основні вхідні дані): ОВ- LEAF (NZDSF), ширина смуги випромінювання лазера 12,5 ГГц, потужність випромінювання на канал 0 дБ, кількість каналів 40, довжина прольоту 60 км, затухання волокна 0,28 дБ/км, швидкість передавання 10 Гбіт/с, частота першого каналу
196,1 ТГц, індекс модуляції 0,045, шумовий параметр випромінювача (RIN) – 155 дБ, чутливість оптичного модуля 0,95 А/Вт, тип підсилювача EDFA, коефіцієнт підсилення підсилювача 22 дБ, поляризаційно-модова дисперсія рівна 0,08 пс/(нм•км).

Результати моделювання показали, що для маршруту Н11-8 гранична кількість каналів при заданих параметрах мережі рівна 24. Збільшення кількості каналів у системі зі спектральним ущільненням призводить до збільшення завад, що вносяться мультиплексором вводу/виводу, РР, ФСМ, ЧХЗ та перехресних завад. Вплив завад є значним, але не вирішальним в обмежені кількості каналів і, як видно з рис. ,а, найбільш суттєво обмежують кількість каналів мультиплексори вводу/виводу. Залежність відношення Рс/Рш від швид-кості передавання між вузлами 1-8 з маршрутом Н11-8 представлена на рис. 4,б. Гранична швидкість передавання для даної топології 5,2 Гбіт/с. Основні обмежуючі фактори збільшення швидкості передавання – це дисперсія та перехресні завади див. рис. 4,а. При збільшені швидкості до 5 Гбіт/с на канал, починають проявлятися перехресні завади, вплив яких при подальшому збільшенні швидкості передавання різко зростає. При швидкості передавання 4,8 Гбіт/с починає проявлятися негативний вплив дисперсії і при досягненні швидкості передавання в каналі 5,23 Гбіт/с коефіцієнт помилок в каналі становить 10-12 (див рис. 4,а). Таким чином, основним обмежуючим фактором

підвищення швидкості передачі в транспортній DWDM мережі є дисперсія ОВ.

a) б)

Рис. . Залежність відношення Рс/Рш від кількості частотних каналів:

а) для кожного типу компонентів і нелінійних явищ в мережі: 1) ФСМ,

2) мультиплексор вводу/виводу, 3) ЧХЗ, 4) передавач, 5) ВКР, 6) ПФМ,

7) дисперсія, 8) приймач; б) для чотирьох каналів: 1) 1-й канал (193,1Гц),

2) 10-й канал (193,225 TГц), 3) 20-й канал (193,350 TГц),

4) 30-й канал (193,475Гц)

a) б)

Рис. . Залежність відношення Рс/Рш від швидкості передавання в каналі:

а) для кожного типу компонентів і нелінійних явищ в мережі: 1) дисперсія,

2) перехресні завади; б) для чотирьох каналів: 1) 1-й канал (193,1Гц), 2) 10-й канал (193,225 TГц), 3) 20-й канал (193,350 TГц), 4) 30-й канал (193,475Гц)

Оцінка адекватності моделі проводилася порівнянням результатів вимірювання коефіцієнта помилок транспортної оптичної мережі і результатів моделювання, зокрема порівнювалося співпадіння результатів вимірювання і моделювання за критерієм ч2 Пірсона. Результати розрахунків показали, що відхилення експериментальних і змодельованих послідовностей незначні – з рівнем значимості б = 0,01.

У четвертому розділі – «Підвищення пропускної здатності транспортних DWDM мереж» – запропоновано методику підвищення пропускної здатності оптичних транспортних мереж на основі мінімізації завад шляхом підвищення параметрів і оптимізації елементної структури мережі.

Формування вектора параметрів транспортної DWDM мережі  відбувається за наступними критеріями:

. (9)

Проведені дослідження транспортної DWDM мережі показали, що макси-мальна кількість каналів, яку може забезпечити досліджувана мережа з відпо-відними параметрами (за найдовшим шляхом) рівна 24 каналам, макси-мальна швидкість, яку забезпечить дана транспортна мережа рівна 5,23 Гбіт/с для кож-ного каналу. На рис. 5 зображені результати моделювання впливу кожного компоненту та нелінійного явища мережі, структура якої подається на рис. 2, критичне значення відношення Рс/Рш в тракті зумовлює дисперсія,

значний вплив на відношення Рс/Рш чинять мультиплексори вводу/виводу та оптичні підсилювачі. Оскільки основним обмежуючим фактором транспортної мережі є дисперсія, і вибраний робочий діапазон 1530 – 1540 нм транспортної DWDM мережі являється короткохвильовим діапазоном частот згідно G.694, то можливість змістити робочі канали до довжини хвилі нульової дисперсії відсутня. Зменшення відношення Рс/Рш спостерігалося в каналах з меншою довжиною хвилі, таке зменшення пояснювалося впливом РР, перехресними завадами та ЧХЗ, проте при збільшенні швидкості до 5 Гбіт/с, найсильніше починає проявлятися зменшення Q – фактора внаслідок дисперсії, що найбільше проявилося в короткохвильових каналах (див рис. 5), при збільшенні швидкості передавання до 5,33 Гбіт/с Q – фактор став менший за пороговий рівень 16,5 дБ.

Врахувати компенсацію дисперсії у моделі можна скорегувавши коефіцієнт, що відповідає за дисперсію. Сумарна дисперсія шляху H11-8 рівна 959 пс. У головному кільці використовуються модулі, які компенсують 240 пс дисперсії. Після корекції параметрів мережі основним фактором, що обмежує швидкість передавання являються перехресні завади, а збільшення вимог до стабільності джерел випромінювання на 50% (до ?н = 8,75?1014 Гц ) дозволило збільшити швидкість передавання до 8,9 Гбіт/с, результати зміни параметрів мережі представлені на рис. 5. Для того, щоб підвищити Рс/Рш на виході на 1 дБ необхідно зменшити коефіцієнт шуму кожного підсилювача на 1 дБ. На практиці типові значення коефіцієнта шуму складають 3-10 дБ для підсилювачів типу EDFA, зменшити їх достатньо складно. Збільшення кількості проміжних підсилювачів також приводить до збільшення Рс/Рш на виході системи. Зменшення впливу нелінійних явищ та перехресних завад досягається оптимальною конфігурацією обладнання, взявши за основу запропоновану модель завад, що побудована з використанням виразів (1-8).

DWDM тракт в повністю оптичній мережі представимо у вигляді спро-щеної схеми, яка складається з N оптичних підсилювачів з однаковими коефі-цієнтами підсилення G (рис. 6). Підсилювачі розділені сегментами ОВ, кожний з яких вносить затухання в сигнал 1/G. Таким же сегментом відділений перший підсилювач від точки входу сигналу. Таке представлення DWDM тракту не враховує ефект насичення підсилювачів, але забезпечує достатньо точний результат і дозволяє спростити систему рівнянь (3) до наступного вигляду:

. (10)

Рис. . Спрощена схема DWDM тракту

Оскільки х1 – функція потужності на вході в оптичне волокно (1/Pвх), х2 – функція потужності сигналу на вході ОВ (1/Pвих), а Pвих/Pвх – це коефіцієнт підсилення підсилювача (G), і зробивши відповідну підстановку, отримаємо наступний вираз:

. (11)

З формули (11) випливає, що для підвищення Рс/Рш на виході необхідно підвищити вхідну потужність, але вхідна потужність у оптичне волокно обмежена впливом нелінійних явищ. Оптимальним рішенням було б якомога частіше розміщувати підсилювачі, відповідно зменшивши коефіцієнт підсилення, але це, як правило, знижує економічну ефективність транспортної системи.

Таблиця 1

Результати моделювання DWDM тракту оптичної транспортної мережі

з різною елементною структурою

Кількість підсилю-вачів в прольоті | Коефіцієнт підсилення підсилю-вача (дБ) | Рс/Рш на виході прольоту (дБ) | Приріст відношення Рс/Рш в прольоті (дБ) | Загальна кількість підсилю-вачів в тракті | Рс/Рш на виході шляху (дБ) | Приріст відношен-ня Рс/Рш в шляху (дБ)

1 | 24 | 30,99– | 7 | 21,549–

2 | 12 | 38,99 | 8 | 14 | 30,539 | 8,99

4 | 6 | 41,979 | 10,99 | 28 | 33,528 | 11,98

8 | 3 | 41,969 | 10,97 | 54 | 33,676 | 12,13

Інший спосіб зменшити Рс/Рш – це зменшення коефіцієнтів аj і bk, оскільки коефіцієнти аj і bk належать множині коефіцієнтів аi (аj, bk  аi), аi – являється функцією параметрів i-го компонента або нелінійного явища і може бути виражена , де – вектор параметрів і-го компонента або нелінійного явища. Отже, для зменшення Рс/Рш на виході системи необхідно визначити параметри компонентів таким чином, щоб коефіцієнт аi приймав мінімальне значення.

Незважаючи на те, що відстань між підсилювачами в лініях зв’язку на практиці не одна-кова, відношення (11) дозволяє достатньо точно розрахувати зміну відношення Рс/Рш при зміні елементної структури мережі.

Проведено дослідження завад в транспортній DWDM мережі з різними способами об’єднання кільцевих структур (див. рис. 7). Показано, що топологія “перетво-рення кілець, з’єднаних через два крос-конектори, в лінійну струк-туру” _має найменший коефіцієнт помилок, а топологія “з’єднання кілець через виділену оптичну лінію” _має найбільший коефіцієнт помилок.

ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі проаналізовано і досліджено завади транспортної DWDM мережі на фізичному та канальному рівнях згідно з еталонною моделлю Взаємодії Відкритих Систем ISO/OSI. Результатом роботи стали модифіковані методи розрахунку і підвищення відношення Рс/Рш в транспортних DWDM мережах, що дало можливість підвищити якість передавання інформації (зменшення коефіцієнта помилок) шляхом оптимізації елементної структури DWDM мережі. У роботі:

1. Проведено аналіз методів розрахунку, принципів проектування та існуючих способів моделювання повністю оптичних транспортних мереж зі спектральним ущільненням каналів, розроблено модель завад транспортної DWDM мережі на основі вдосконаленого методу розрахунку Рс/Рш, що враховує впливи кожного компонента та нелінійного явища транспортної DWDM мережі.

2. Розроблено математичну модель впливу компонентів та нелінійних явищ оптичного тракту на якість передавання інформації в системі, виведено вирази для розрахунку коефіцієнтів моделі, що дозволяють визначити вплив завад в кожному спектральному каналі транспортної DWDM мережі.

3. Проведено комплексний аналіз завад оптичного тракту DWDM транспортної системи на основі розробленої моделі і запропоновано методику підвищення пропускної здатності мережі шляхом оптимізації її елементної структури.

4. Вдосконалено метод збільшення відношення Рс/Рш і, відповідно, зменшення коефіцієнта помилок у транспортних мережах на основі поканального покращення параметрів компонентів та конфігурації мережі в цілому. Вдосконалений метод дозволяє розрахувати граничні параметри оптичних транспортних мереж для заданого коефіцієнта помилок, враховуючи всі основні нелінійні явища, активні та пасивні оптичні компоненти.

5. Досліджено залежність відношення Рс/Рш від способу об’єднання кільцевих структур DWDM мереж, показано, що транспортна структура побудована на основі топології “перетворення кілець, з’єднаних через два крос-конектори, в лінійну структуру” – є найбільш оптимальним рішенням з погляду коефіцієнта помилок мережної системи, а використання для побудови транспортних платформ топології “з’єднання кілець через виділену оптичну лінію” – внаслідок високого рівня завад є небажаним.

6. Розроблено методику визначення оптимальної елементної структури оптичного тракту і мережі DWDM в цілому, яка враховує вплив нелінійних явищ, перехресних завад, основних характеристик активних та пасивних компонентів і дозволяє збільшити відношення Рс/Рш на 8-12 дБп.

ОСНОВНІ РОБОТИ, ОПУБЛІКОВАНІ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Климаш М.М., Романчук В.І. Розрахунок навантаження цифрових лінійних трактів транспортних телекомунікаційних мереж // Радіоелектроніка та телекомунікації. Вісник НУ “Львівська політехніка”. – Львів, 2003. – № 477. – С. 117-122.

2. Климаш М.М, Романчук В.І., Стрихалюк Б.М. Дослідження методів резервування потоків в SDH-мережах // Моделювання та інформаційні технології: Зб. наук. пр. ІПМЕ НАН України. – К., 2004. – Вип. 26. – С. 89-91.

3. Климаш М.М., Романчук В.І. Метод розрахунку перехресних міжканальних завад в транспортних телекомунікаційних системах // Моделювання та інформаційні технології: Збірник наукових праць ІПМЕ НАН України. – К., 2005. – Вип. 31. – С. 25-28.

4. Климаш М.М., Романчук В.І., Андрухів Т.В. Модель розрахунку пере-хресних завад в мережах зі спектральним ущільненням каналів // Комп’ютерні технології друкарства: Зб. наук. пр. – Львів, 2006. – №16. – С. 176-182.

5. Klymash M.M., Romanchyk V.I., Strychaluk B.M. Simulation of a Gigabit Ethernet switch for transporting optical networks // Proceedings “TCSET – 2004”. – Lviv-Slavsko, Ukraine, 2004. – Р. 444-445.

6. Климаш М.М., Романчук В.І., Костюк І.В. Моделювання та дослідження методів захисту потоків в SDH-мережах // VIII Международная научно-практическая конференция «Системы и средства передачи и обработки информации». – Одеcса, 2004. – C. 68-69.

7. Andrukhiv Т., Klymash M., Romanchuk V., Oleksin М. Loading Calculation and Modernization of Synchronous Metropolitan Area Network // Матеріали Міжнародної науково-технічної конференції «Сучасні проблеми радіоелектроніки, телекомунікацій та комп’ютерної інженерії». – Львів-Славсько, Україна, 2006. – Р. 469-470.

8. Климаш М.М., Романчук В.І., Олексін М.І. Розрахунок ефективності використання пропускної здатності каналу для різних видів трафіка та мережевих технологій // Труды конференции ССПОИ-2003. VIІ Международная научно-практическая конференция “Системы и средства передачи и обработки информации”. – Одесса, Украина, 2003. – C. 91-95.

9. Mychailo Klymash, Vasyl Romanchuk. Calculation efficiency to use capacity channel for different kinds of traffic and Network technologies // LFNM – 2003. – Alushta, 2003. – P. 267-271.

10. Романчук В.І. Аналітична модель розрахунку перехресних між канальних завад в системах спектрального ущільнення // Моделювання та інформаційні технології: Збірник наукових праць ІПМЕ НАН України. – К., 2006. – Вип. 32. – С. 161-168.

11. Романчук В.І. Моделювання та дослідження мультихвилевих оптичних мереж // Технічні науки. Вісник Хмельницького Національного університету. – Хмельницький, 2007. – Т. 2(90), № 2. – С. 167-171.

12. Романчук В.І. Климаш М.М., Бенбіхі Імад., Анрухів Т.В., Оптимізація потоків транспортних міських мереж з кільцевою топологією // Моделювання та інформаційні технології: Зб. наук. пр. ІПМЕ НАН України. – К., 2007. – Вип. . – С. 202-210.

13. Романчук В.І. Климаш М.М., Моделювання та дослідження параметрів мультихвилевих оптичних мереж // Моделювання та інформаційні технології: Зб. наук. пр. ІПМЕ НАН України. – К., 2007. – Вип. 42. – С. 190-197.

14. Романчук В.І., Моделювання та оптимізація компонентів оптичних транспортних DWDM мереж // Зб. наук. пр. ІПМЕ НАН України. – К., 2007. – Вип. 42. – С. 150-157.

АНОТАЦІЇ

Романчук В.І. Дослідження завад в транспортних DWDM мережах. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.12.02 – телекомунікаційні системи та мережі. – Одеська національна академія зв’язку ім. О.С. Попова. – Одеса, 2007.

Роботу присвячено дослідженню завад у повністю оптичних транспортних DWDM мережах і методам підвищення їх пропускної здатності, дослідженню завад в компонентах та їх впливу на передавання в системах зі спектральним ущільненням каналів. У роботі розроблено модель завад транспортної DWDM мережі, запропоновано вдосконалений метод розрахунку відношення Рс/Рш в DWDM системах. З допомогою розробленої моделі отримано залежності відношення Рс/Рш на виході кожного спектрального каналу від кількості каналів в системі і швидкості передачі, а також отримано залежності впливу кожного компонента DWDM системи і нелінійного явища на погіршення відношення Рс/Рш в системі.

Проведено дослідження і визначення найкращих параметрів транспортної DWDM мережі, що дозволило збільшити швидкість передавання з 5,2 Гбіт/с до 8,9 Гбіт/с для модельованої мережі, після використання модулів компенсації дисперсії на 240 пс в головному кільці і застосування більш якісних випромінювачів.

Проведені моделювання структури мережі показали, що чим більше компонентів включає транспортна DWDM мережа, тим більший ефект досягається структурною оптимізацією, а його значення становить 8-12 дБп.

Дослідження методів об’єднання кільцевих структур показали, що топологія “перетворення кілець, з’єднаних через два крос-конектори, в лінійну структуру” характеризується найменшим коефіцієнтом помилок, а топології “з’єднання кілець через виділену оптичну лінію” – відповідає найбільший коефіцієнт помилок при однотипному обладнанні та однаковій кількості вузлів.

Ключові слова: оптична транспортна мережа, система передавання зі спектральним ущільненням каналів, перехресні завади, нелінійні явища, відношення Рс/Рш, пропускна здатність, повністю оптична мережа.

Романчук В.И. Исследование помех в транспортных DWDM сетях. – Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.12.02 – телекоммуникационные системы и сети. – Одесская национальная академия связи им. А.С. Попова. – Одесса, 2007.

Работа посвящена исследованию помех полностью оптических транспортных DWDM сетей и методам повышения их пропускной способности, исследованию помех в сетевых компонентах и их влияния на системы передачи со спектральным уплотнением каналов. В работе разработана модель помех транспортной оптической DWDM сети, представлен усовершенствованный метод расчета отношения Рс/Рш в DWDM системах. С помощью разработанной модели получены зависимости отношения Рс/Рш на выходе каждого спектрального канала от количества каналов и скорости передачи в сетях со спектральным уплотнением каналов, а также получены зависимости влияния каждого компонента DWDM системы и нелинейных явлений на ухудшение Рс/Рш в такой системе.

Проведено определение оптимальных параметров транспортной DWDM сети, что позволило увеличить скорость передачи моделируемой сети с 5,2 Гбит/с до 8,9 Гбит/с, с помощью использования модулей компенсации дисперсии на 240 пс в главном кольце и использования более стабильных излучателей. Отношение Рс/Рш определяется количеством спектральных каналов в линейном тракте, а также характеристиками компонентов сети.

Системный подход к моделированию структуры сети показал, что чем больше компонентов включает транспортная DWDM сеть, тем выше эффект от структурной оптимизации и его значения лежат в пределах от 8 до 12 дБм.

Проведены исследования методов объединения кольцевых структур, которые показали, что топология “превращения колец, соединенных через два кросс-коннектора, в линейную структуру” имеет наименьший коэффициент ошибок, а топологии “соединение колец через выделенную оптическую линию” соответствует наибольший коэффициент ошибок при однотипном оборудовании и одинаковом количестве узлов.

Ключевые слова: оптическая транспортная сеть, система передачи со спектральным уплотнением каналов, перекрестные помехи, нелинейные явления, отношение Рс/Рш, пропускная способность, полностью оптическая сеть.

Romanchuk V.I. Research of hindrances in transport DWDM networks. – Manuscript.

A thesis submitted in fulfillment of the Ph.D. degree in technical sciences on specialty 05.12.02 – telecommunication networks and systems – A.S. Popov Odessa National Academy of Telecommunication, Odessa, 2007.

A Dissertation is devoted to research of hindrances in fully optical transport DWDM networks and to the methods of their carrying capacity increasing, to research of hindrances in components and their influence on the transmission systems with a wave length division multiplexing of channels. The model of a transport optical DWDM network hindrances is in-process developed, the improved method of OSNR relation calculation is presented in the DWDM systems. By the developed model, dependences of OSNR relation are got on an output from the amount of channels in the system and speed of transmission, and also dependences of influence of every component of DWDM of the system and nonlinear phenomenon are got on worsening of OSNR in the system.

Self-reactance optimization of a transport DWDM network is resulted, that allowed to increase transmission speed from a 5,2 Gb to 8,9 Gb to the designed network, using the modules of dispersion indemnification on 240 ps in a main ring and the use of more stable emitters.

The designs of structural optimization method are conducted and had shown, that than greater components a transport DWDM network, thus achieve able show effect from structural optimization lies in scopes from 8 to 12 dBp.

А method’s research of circular structures techniques margining, that topology of “transformation of rings in a linear structure merged through two cross-connection” has the least coefficient of errors, and topology “connection of rings through the dedicated optical line” has a most coefficient of errors at the same type of equipment and identical amount of knots.

Keywords: optical transport