Оптическая абонентская линия связи

 

Изобретение относится к квантовой радиотехнике и оптической связи. Технический результат заключается в уменьшении полосы оптических длин волн, занимаемой одной линией. Линия содержит мультиплексор, демультиплексор, модулятор, два оптических разветвителя, два оптических фильтра-разветвителя (устройства спектрального уплотнения каналов), две среды передачи оптического сигнала, фотодетектор, усилитель, фильтр сигнала, решающее устройство, а также в нее дополнительно включены когерентные оптический передатчик и приемник, лазерный гетеродин, устройство стабилизации частоты и обеспечения узкой линии излучения лазера, оптический усилитель-разветвитель, третья среда передачи оптического сигнала, два оптических разветвителя, несимметричный оптический разветвитель, оптический модулятор, формирователь сигнала оптической несущей частоты, генератор сигнала поднесущей частоты и смеситель. 2 ил., 1 табл.

Предлагаемое техническое решение относится к области квантовой радиотехники и оптической связи и может быть использовано в широкополосных сетях доступа к услугам связи.

Известна оптическая абонентская линия связи (фиг.1) - прототип предлагаемого технического решения, которая содержит мультиплексор 1, оптический передатчик 2, два оптических фильтра-разветвителя 3 и 14, две среды передачи оптического сигнала 4 и 8, лазерный генератор 5, модулятор 6, два оптических разветвителя 7 и 9, фильтр сигнала 10, демодулятор 11, демультиплексор 12, оптический приемник 13, фотодетектор 15, усилитель 16, решающее устройство 17 (Maier G. Martinelli M., Pattavina A., Salvadori E. Design and cost performance of multistage WDM-PON access networks//Journal of Lightwave Technology - 2000 - 18, 2 - Р.125-142). Оптические разветвители 7 и 9 - симметричные (трехдецибельные).

Абонентская линия связи (фиг.1) входит в состав двухъярусной сети доступа к услугам связи, при этом блоки 1, 2, 7, 12, 13, 14 размещены в узле доступа к услугам связи, блок 3 - в промежуточном сетевом узле, а блоки 5, 6, 9, 10, 11, 15, 16, 17 входят в состав аппаратуры абонентской установки. Узел доступа, промежуточный сетевой узел и абонентская установка соединены между собой двумя средами передачи оптического сигнала 4 и 8. В частном случае это может быть оптический кабель, атмосфера и др. В известной линии связи использованы спектральное уплотнение оптических каналов (DWDM) и одноволоконная передача оптических сигналов противоположного направления. Оптические фильтры-разветвители (устройства DWDM) содержат оптические усилители для компенсации потерь мощности при разветвлении сигнала и потерь в среде передачи при большой длине линии связи.

Недостатком известной линии связи (фиг.1) является широкая полоса длин волн, занимаемая одной линией, что не позволяет в заданном ограниченном оптическом диапазоне, например одного или нескольких окон прозрачности оптического волокна, увеличить количество абонентских установок в сети доступа из-за невозможности в рамках технологии DWDM увеличить плотность расположения оптических сигналов.

Поставленная цепь достигается тем, что в известную линию связи включены когерентные оптические передатчик и приемник, лазерный гетеродин, устройство стабилизации частоты и обеспечения узкой линии излучения лазера, третий и четвертый оптические разветвители, оптический усилитель-разветвитель, несимметричный оптический разветвитель, третья среда передачи оптического сигнала, оптический модулятор, формирователь сигнала оптической несущей частоты, генератор сигнала поднесущей частоты, смеситель.

Предлагаемая оптическая абонентская линия связи (фиг.2) содержит мультиплексор 1, второй оптический фильтр-разветвитель 3, вторую среду передачи оптического сигнала 4, модулятор 6, первый оптический разветвитель 7, первую среду передачи оптического сигнала 8, второй оптический разветвитель 9, фильтр сигнала 10, демодулятор 11, демультиплексор 12, первый оптический фильтр-разветвитель 14, фотодетектор 15, усилитель 16, решающее устройство 17, когерентный оптический передатчик 18, оптический смеситель 19, третью среду передачи оптического сигнала 20, четвертый оптический разветвитель 21, оптический модулятор 22, лазерный гетеродин 23, оптический усилитель-разветвитель 24, несимметричный оптический разветвитель 25, формирователь сигнала оптической несущей частоты 26, генератор сигнала поднесущей частоты 27, устройство стабилизации частоты и обеспечения узкой линии излучения лазера 29, третий оптический разветвитель 30, смеситель 31.

Принцип работы предлагаемой оптической абонентской линии связи заключается в следующем.

Сигнал, предназначенный для данной (фиг.2) абонентской установки, поступает на вход линии связи (Вх. 1), который является входом мультиплексора 1, в котором производятся объединение этого сигнала с сигналами для других абонентских установок и уплотнение сигналов по частоте. Групповой сигнал поступает на вход когерентного передатчика 18, в котором производится преобразование электрического сигнала в оптический, а также может производиться объединение нескольких оптических сигналов (спектральное уплотнение каналов). С выхода передатчика 18 сигнал поступает на вход первого оптического разветвителя 7 и далее со входа/выхода этого разветвителя на первый вход/выход первого оптического фильтра-разветвителя 14. Название "вход/выход" обусловлено тем, что данная точка на схеме (фиг.2) используется как вход для сигнала одного направления и как выход для сигнала противоположного направления. Первый оптический фильтр-разветвитель 14 отсекает большую часть сигналов, не предназначенных для данной (фиг.2) абонентской установки. Оставшиеся сигналы проходят первую среду передачи 8, соединяющую узел доступа и верхний промежуточный сетевой узел, и поступают на первый вход/выход второго оптического фильтра-разветвителя 3, который выделяет относительно небольшую группу сигналов, содержащую сигнал для данной (фиг.2) абонентской установки. Эта группа сигналов проходит вторую среду передачи 4, соединяющую верхний и нижний промежуточные сетевые узлы, и поступает на вход/выход второго оптического разветвителя 9.

Оптическая полоса пропускания на втором входе/выходе второго оптического фильтра-разветвителя 3 близка к предельно возможной для технологии DWDM. В настоящее время она составляет 0,4 нм и более.

С выхода второго оптического разветвителя 9 упомянутая группа сигналов поступает на вход оптического смесителя 19, на второй вход которого поступает немодулированное узкополосное излучение лазерного гетеродина 23, частота которого контролируется устройством стабилизации частоты и обеспечения узкой линии излучения лазера 29. С выхода оптического смесителя 19 через третий оптический разветвитель 30 и оптический усилитель-разветвитель 24 сигнал поступает в третью среду передачи 20, соединяющую нижний промежуточный сетевой узел с данной (фиг.2) абонентской установкой. Каждая установка, соединенная с этим узлом, получает одинаковый набор информационных сигналов и сигнал лазерный гетеродина 23. Усилитель-разветвитель 24 компенсирует потери мощности сигналов при разветвлении и затухание их в третьей среде передачи 20.

Устройство стабилизации частоты и обеспечения узкой линии излучения 29 лазерного гетеродина 23 содержит узкополосные внешние резонаторы и элементы, обеспечивающие стабилизацию температуры лазера, подавление влияния внешних механических воздействий, фазовую автоподстройку частоты лазерного гетеродина 23, которая должна быть расположена в центре полосы пропускания второго оптического фильтра-разветвителя 3.

Такая обработка когерентного оптического сигнала в нижнем промежуточном сетевом узле позволяет избежать использования в каждой абонентской установке пока еще дорогостоящей аппаратуры (блоки 23 и 29).

Поступившая из третьей среды передачи 20 в абонентскую установку группа сигналов проходит четвертый оптический разветвитель 24 и несимметричный оптический разветвитель 25, на выходах которого образуются сигналы разного уровня. Сигнал низкого уровня с первого выхода проходит фотодетектор 15 и усилитель 16 и поступает на первый вход смесителя 31, на второй вход которого поступает немодулированный сигнал от генератора сигнала поднесущей частоты 27. На первый вход смесителя 31 поступает несколько сигналов, но на выходе фильтра сигнала 10 выделяется только один сигнал, предназначенный для данной (фиг. 2) установки. Это обеспечивается фильтрацией одной боковой оптической полосы частот после фотодетектора, выбором частоты генератора 27 и центральной частоты фильтра 10, частотная характеристика которого соответствует максимальному отношению сигнал/шум на входе решающего устройства 17. Демодулятор 11 преобразует форму сигнала к виду, удобному для работы решающего устройства 17. В частном случае он может отсутствовать.

При использовании предлагаемой линии связи для передачи аналоговых сигналов решающее устройство 17 из схемы (фиг.2) исключается.

Сигнал, несущий информацию от абонента к узлу доступа, поступает на второй вход линии связи (Вх. 2), являющийся первым входом модулятора 6, на второй вход которого поступает сигнал от генератора сигнала поднесущей частоты 27. Модулированный сигнал поднесущей частоты с выхода модулятора 6 поступает на первый вход оптического модулятора 22, на второй вход которого поступает немодулированный оптический сигнал с выхода формирователя сигнала оптической несущей частоты 26, на вход которого поступает сигнал со второго выхода (высокого уровня мощности) несимметричного оптического разветвителя 25. Поэтому на выходе оптического модулятора 22 образуется оптический сигнал, несущая частота которого совпадает с несущей частотой сигнала на выходе узла доступа, предназначенного для данной установки. Далее сигнал от абонента проходит последовательно блоки 20, 24, 30, 9, 4, 3, 8, 14, 7. При этом в блоках 24, 3 и 14 происходит объединение его с сигналами от других абонентских установок. С выхода первого оптического разветвителя 7 сигнал поступает на вход когерентного оптического приемника 28, который выполняет функции, обратные функциям когерентного оптического передатчика 18. С выхода приемника 28 групповой электрический сигнал, проходя демультиплексор 12, разделяется, и на первом выходе линии связи (Вых. 1) образуется сигнал, несущий информацию, поступившую на второй вход линии связи (Вх. 2).

Положительный эффект от использования предлагаемой оптической абонентской линии связи заключается в уменьшении полосы длин волн, занимаемой одной линией, что позволяет значительно увеличить количество абонентских установок в сети доступа при использовании заданного ограниченного диапазона длин волн. Действительно, современные устройства спектрального уплотнения каналов (DWDM) позволяют произвести уплотнение оптических сигналов (каналов) с интервалами не менее 0,4 нм, т.е. около 50 ГГц. Но в этом интервале, используя когерентные методы обработки и передачи оптического сигнала, можно разместить вместо одного более ста оптических цифровых сигналов со скоростью передачи 155 Мбит/с (STM-1).

Экономический эффект от использования предлагаемой оптической абонентской линии связи можно оценить на примере расчета стоимости участка широкополосной сети доступа в расчете на одного абонента.

Рассмотрим трехъярусный участок широкополосной сети доступа с топологией тройная "звезда" с использованием одноволоконной передачи сигналов противоположного направления, спектрального уплотнения каналов (DWDM) и когерентных методов обработки и передачи сигналов, имеющий форму квадрата со стороной 10 км и равномерное распределение абонентских установок. Затухание оптического кабеля составляет не более 0,3 дБ/км, а стоимость (с прокладкой) 1 км кабеля - 2,62 тыс. у.е. Устройства DWDM размещены в верхних промежуточных сетевых узлах, а аппаратура когерентной обработки сигнала размещена в нижних промежуточных узлах. При этом предполагается, что стоимость оборудования верхнего промежуточного узла (С_А) составляет 50 и 100 тыс. у.е. (два варианта), а нижнего промежуточного узла (С_Б) - 50 и 150 тыс. у.е. соответственно. Диапазон волн оптических сигналов составляет 250 нм. В каждом канале от узла доступа в сторону абонентской установки и обратно передается, цифровой сигнал со скоростью 155 Мбит/с (STM-1), занимающий полосу 0,3 ГГц (с учетом защитного интервала). Поэтому в диапазоне волн 250 нм можно разместить более 100 тыс. каналов и, соответственно, абонентских установок.

В качестве базового варианта рассмотрим двухъярусный участок широкополосной волоконно-оптической сети доступа с топологией двойная "звезда" с использованием одноволоконной передачи и спектрального уплотнения каналов (DWDM), имеющий также форму квадрата со стороной 10 км и равномерное распределение абонентских установок. Аппаратура DWDM размещена в промежуточных сетевых узлах участка сети и имеет стоимость (С_Б) 50 и 100 тыс. у.е. (два варианта). В диапазоне длин волн 250 нм при полосе пропускания устройств DWDM 0,4 нм можно разместить только 625 каналов STM-1 и, соответственно, абонентских установок.

При расчете экономической эффективности от использования предлагаемого технического решения по сравнению с базовым рассмотрим стократное увеличение количества абонентских установок (N) на участке сети доступа, т.е. N=62500, хотя в рассматриваемом случае аппаратура позволяет и большее.

В таблице приведены результаты расчета стоимости участка сети доступа в расчете на одного абонента C_Σ/N. При этом количество верхних (N_A) и нижних (N_Б) промежуточных сетевых узлов выбрано из условия минимума стоимости (C_Σ) участка сети доступа как для предлагаемого, так и для базового варианта.

Кроме упомянутых выше, в таблице использованы следующие обозначения: а_Э - сторона квадрата - участка нижнего яруса; Δλ(Δf) - полоса длин волн (частот) устройств DWDM.

Стоимость участка сети доступа в расчете на одного абонента C_Σ/N, полученная в результате использования предлагаемого технического решения, составляет 1-1,5 тыс. у.е. (см. таблицу, пп. 1 и 2), что в 4-5 раз меньше, чем для аналогичного участка при использовании базового варианта (см. таблицу, пп. 3 и 4).

Формула изобретения

Оптическая абонентская линия связи, соединяющая абонентскую установку и узел доступа к услугам связи и содержащая мультиплексор, демультиплексор, первый и второй оптические разветвители, первый и второй оптические фильтры-разветвители, первую и вторую среду передачи оптического сигнала, фотодетектор, усилитель, фильтр сигнала, модулятор, демодулятор и решающее устройство, при этом первый вход линии является входом мультиплексора, выход демультиплексора является первым выходом линии, вход/выход первого оптического разветвителя соединен с первым входом/выходом первого оптического фильтра-разветвителя, второй вход/выход которого соединен с первым входом/выходом первой среды передачи оптического сигнала, второй вход/выход которой соединен с первым входом/выходом второго фильтра-разветвителя, второй вход/выход которого соединен с первым входом/выходом второй среды передачи оптического сигнала, второй вход/выход которой соединен со входом/выходом второго оптического разветвителя, выход фотодетектора соединен со входом усилителя, выход фильтра сигнала соединен со входом демодулятора, выход которого соединен со входом решающего устройства, выход которого является вторым выходом линии, второй вход линии является первым входом модулятора, отличающаяся тем, что в нее включены когерентные оптические передатчик и приемник, лазерный гетеродин, оптический смеситель, устройство стабилизации частоты и обеспечения узкой линии излучения лазера, третий и четвертый оптические разветвители, оптический усилитель-разветвитель, третья среда передачи оптического сигнала, оптический модулятор, несимметричный оптический разветвитель, формирователь сигнала оптической несущей частоты, генератор сигнала поднесущей частоты и смеситель, при этом выход мультиплексора соединен со входом когерентного оптического передатчика, выход которого соединен со входом первого оптического разветвителя, выход которого соединен со входом когерентного оптического приемника, выход которого соединен со входом демультиплексора, выход второго оптического разветвителя соединен с первым входом оптического смесителя, выход которого соединен со входом третьего оптического разветвителя и со входом устройства стабилизации частоты и обеспечения узкой линии излучения лазера, выход которого соединен со входом лазерного гетеродина, выход которого соединен со вторым входом оптического смесителя, выход третьего оптического разветвителя соединен со входом второго оптического разветвителя, а его вход/выход соединен с первым входом/выходом оптического усилителя-разветвителя, второй вход/выход которого соединен с первым входом/выходом третьей среды передачи оптического сигнала, второй вход/выход которой соединен со входом/выходом четвертого оптического разветвителя, выход которого соединен со входом несимметричного оптического разветвителя, первый выход которого соединен со входом фотодетектора, выход модулятора соединен с первым входом оптического модулятора, выход которого соединен со входом четвертого оптического разветвителя, выход усилителя соединен с первым входом смесителя, выход которого соединен со входом фильтра сигнала, второй выход несимметричного оптического разветвителя соединен со входом формирователя сигнала оптической несущей частоты, выход которого соединен со вторым входом оптического модулятора, выход генератора сигнала поднесущей частоты соединен со вторыми входами модулятора и смесителя.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3