POLITECHNIKA OPOLSKA

1. . Systemy PDH

We wczesnych latach siedemdziesiątych zaczęły pojawiać się cyfrowe systemy teletransmisyjne oparte na modulacji kodowo-impulsowej PCM (Pulse Code Modulation) zaproponowanej jeszcze w 1937 r. PCM dokonuje przekształcenia sygnału analogowego np. głosu ludzkiego na sygnał binarny. Używając tej metody można przedstawić standardowy sygnał telefoniczny o paśmie 4 kHz za pomocą cyfrowego ciągu znaków o przepływności 64 kbit/s. Dostrzeżono możliwość stworzenia efektywnego systemu teletransmisyjnego poprzez połączenie wielu kanałów PCM w jeden ciąg binarny o dużej przepływności za pomocą zwielokrotnienia z podziałem czasowym TDM (time division multiplexing). Polega ono na wprowadzeniu do kanału wychodzącego o dużej przepływności pojedynczych bajtów z kolejnych przychodzących kanałów PCM. Proces ten bywa określony mianem sekwencyjnego przeplatania bajtowego. W Europie wprowadzono taki schemat TDM, w którym łączy się 30 kanałów 64 kbit/s oraz dwa dodatkowe przenoszące informacje sterujące, tworząc w ten sposób kanał o przepływności 2048 kbit/s. Wraz z rozwojem telefonii i zwiększaniem natężenia ruchu w sieci standardowy sygnał 2, 048 Mbit/s przestał wystarczać do obsługi ruchu między centralami. Aby uniknąć zwiększania liczby łączy 2,048 Mbit/s wprowadzono kolejne poziomy zwielokrotniania: 8,448 Mbit/s łączący 4 kanały 2,048 Mbit/s z użyciem przeplotu bitowego tzn. z kolejnych przychodzących sygnałów do kanału zbiorczego każdorazowo wprowadzany jest jeden bit; 34,368 Mbit/s, 139,264 Mbit/s, 564,992 Mbit/s. Każdy wyższy poziom składa się z czterech sygnałów niższego poziomu uzupełnionych o informacje sterujące. Uszeregowanie to nosi nazwę plezjochronicznej hierarchii cyfrowej PDH (plezjochronous digital hierarchy).

Do transmisji sygnałów PDH mogą być wykorzystywane zarówno światłowody wielodomowe, jak i jednomodowe.

Dostępność taniego telefonicznego pasma przenoszenia spowodowała rozwój nowych, nie akustycznych usług telefonicznych przeznaczonych głównie dla biznesu. Rozwój tych usług spowodował wzrost zapotrzebowania na polepszenie jakości transmisji, zwiększenie dostępności usług i elastyczności sieci połączeń. Systemom PDH, projektowanym z myślą o obsłudze podstawowej abonentów, trudno jest sprostać nowym wymaganiom, gdyż nie są dostosowane do większych szybkości transmisji.

Rys. Odgałęzienie sygnału 2 Mbit/s w systemie PDH

2. . Systemy SDH

Systemy PDH osiągnęły w pewny momęcie punkt zwrotny, w którym nie jest w stanie zaspokoić potrzeb nowych użytkowników. Aby przezwyciężyć problemy transmisji plezjochronicznej, opracowano zasady transmisji synchronicznej w postaci tzw. Synchronicznej hierarchi cyfrowej SDH (synchronous digital hierarchy). Zdefiniowane są następujące kolejne przepływności podstawowe SDH:

- STM-1, 155,520 Mbit/s

- STM-4, 622,080 Mbit/s

- STM-16, 2,48832 Gbit/s

- STM-64, 9,95328 Gbit/s

Skrót STM oznacza synchroniczny moduł transportowy (synchronous transport module). Pomimo niekwestionowanej przewagi nad systemami PDH, wprowadzenie systemów SD jest uwarunkowane możliwościami ich współpracy z istniejącymi systemami teletransmisyjnymi. Istnieją algorytmy wprowadzania do ramki STM-1 istniejących systemów teletransmisyjnych o dowolnej przepływności od 1,5 Mbit/s do 140 Mbit/s. Mianowicie SDH definiuje pewną liczbę tzw. kontenerów odpowiadających istniejącym przepływnością systemów plezjochronicznych.

Systemy SDH o większej niż STM-1 przepływności są tworzone przez zwielokrotnienie systemu 155 Mbit/s metodą przeplatania bajtowego. Jedną zasadniczych zalet SDH jest uproszczenie sieci, gdyż pojedyncza krotnica synchroniczna spełnia funkcje całej hierarchii urządzeń sieci plezjochronicznej. Krotnice synchroniczne realizują zarówno funkcje zwielokrotnienia jak i zakończenia liniowego. Akceptują one sygnały podrzędne o różnych przepływnościach wyjściowych i różnych interfejsach. Po stronie zbiorczej Krotnica generuje sygnał liniowy o znormalizowanych przepływnościach STM-1…STM-16.

Ze względów niezawodnościowych synchroniczny interfejs światłowodowy jest zdublowany, przy czym jest klasyczne zdublowanie „1+1” i dogodne do tworzenia struktur pierścieniowych zdublowanie „wschód-zachód”. Bardziej efektywne odgałęzienie kanałów oraz możliwość zarządzania siecią powodują to, że sieć SD zapewnia znacznie prostszy dostęp do linii o dużej przepustowości przeznaczonych dla nowych usług, np. multimedialnych, wideokonferencji, szybkich sieci komutacji pakietów, połączeń między sieciami lokalnymi LAN, telewizji wysokiej rozdzielczości HDTV, dostępu do baz danych, połączeń między komputerami itd.

Rys. Interfejsy krotnicy synchronicznej SDH

2. ANALOGOWE SYSTEMY TRANSMISYJNE

3.1. SYSTEMY CATV

Systemy światłowodowe są coraz częściej używane, zwłaszcza w Stanach Zjednoczonych do transmisji sygnałów telewizyjnych sieciach telewizji kablowych CATV (common antenna TV lub cable TV). Topologia takiej sieci przypomina strukturę drzewa, światłowody zaś stosuje się do transmisji sygnału na dalsze odległości w „pniu” i głównych gałęziach takiego drzewa.

Rys. Struktura systemu CATV

Potrzeba stosowania światłowodów wynika z dużego tłumienia kabli koncentrycznych na wyższych częstotliwościach i zależności tego tłumienia od częstotliwości. Przy transmisji na duże odległości niezbędne okazuje się stosowanie dużej liczby wzmacniaczy i korektorów toru kablowego połączonych kaskadowo. W takiej konfiguracji trudne jest uzyskanie dużej liczby kanałów przy zapewnieniu właściwej jakości transmisji i niezawodności. W odróżnieniu od poprzednio prezentowanych systemów cyfrowych, systemy CATV są systemami przeznaczonymi do transmisji kilkudziesięciu kanałów telewizyjnych, zazwyczaj nadawanych bezpośrednio bez zmiany modulacji (tzn. przy modulacji AM-VSB) za pomocą zwielokrotnienia częstotliwościowego. Ponieważ każdy kanał telewizyjny zajmuje pasmo około 6 MHz, nietrudno policzyć, że pasmo tego zwielokrotnionego częstotliwościowo sygnału może przekroczyć 500 MHz.

3. SYSTEMY TRANSMISJI ŚWIATŁOWODOWEJ Z OPTYCZNYM ZWIELOKROTNIENIEM

Zwielokrotnienie jest techniką, która umożliwia transmisję pewnej ilości podobnych sygnałów jednym kanałem transmisyjnym. W zależności od tego, w jakiej dziedzinie zwielokrotniamy sygnały, można wyróżnić kilka rodzajów zwielokrotnienia.

4.1. SYSTEMY Z OPTYCZNYM ZWIELOKROTNIENIEM DŁUGOŚCI FALI I CZĘSTOTLIWOŚCI

Szerokość pasma użytecznego współczesnych światłowodów o płaskiej charakterystyce dyspersji przekracza 100 nm. Standardowe systemy transmisyjne pracujące na jednej długości fali wykorzystują jedynie jego niewielką część. Technika zwielokrotnienia z podziałem częstotliwościowym FDM i długości fal WDM wykorzystują wiele kanałów optycznych, które są jednocześnie transmitowane tym samym światłowodem na różnych częstotliwościach lub - co jest równoważne na różnych długościach fal. W ten sposób można znacznie zwiększyć przepływność informacyjną światłowodu przez lepsze wykorzystanie zakresu długości fal, na których światłowód ma niewielkie tłumienie. Cechą pracy systemów FDM i WDM jest oferowanie wielu niezależnych od siebie kanałów, z których każdy może mieć zupełnie inny format transmisyjny. Tak więc sygnały synchroniczne, asynchroniczne i analogowe mogą być przenoszone w jednym systemie bez potrzeby wprowadzania wspólnej struktury sygnału.

1. SYSTEMY WDM (zwielokrotnienie długości fali)

Systemy wykorzystujące ten rodzaj zwielokrotnienia można podzielić na selektywne i szerokopasmowe. W systemie selektywnym (wąskopasmowym), multipleksacja i demultipleksacja sygnałów jest przeprowadzana z użyciem elementów selektywnych takich, jak siatki dyfrakcyjne, filtry interferencyjne, sprzęgacze selektywne itd. Natomiast w systemie szerokopasmowym multipleksacja i dystrybucja sygnałów jest dokonywana za pomocą elementów szerokopasmowych takich, jak światłowodowe i planarne sprzęgacze o wielu portach. Zasada pracy obydwu rodzajów systemów jest podobna. Sygnały pochodzące z różnych źródeł światła o różnych długościach fal są multipleksowane w sposób selektywny bądź szerokopasmowy i wprowadzane do światłowodu, którym mają być dalej transmitowane.

Jako źródeł światła w systemach WDM można używać zarówno diod elektroluminescencyjnych, jak i laserów półprzewodnikowych. Duża szerokość widmowa LED ( około 50nm i więcej) wyklucza ich bezpośrednie zastosowanie, ale istnieją metody podziału widma takiej diody umożliwiające ich zastosowanie w sieciach lokalnych. Jako źródła światła mogą być również wykorzystane lasery DFB i DBR. W przypadku modulacji bezpośredniej lasera, tolerancja systemu WDM musi być zwiększona w skutek zjawiska chipu, czyli rozszerzenia się linii widmowej lasera przy modulacji jego prądu. Typowe poszerzenie wynosi około 0,2 nm. Obecnie tolerancje laserów nadawczych nie przekraczają 0,1 nm. Uwzględnienie rozszerzenia i niedokładności stabilizacji linii widmowej lasera, tolerancji filtrów oraz przesłuchów prowadzi do wniosku, że minimalna odległość między kanałami powinna wynosić kilka dziesiątych nanometra, co daje kilkadziesiąt kanałów w każdym oknie transmisyjnym.

Dalszym krokiem w stronę pełniejszego wykorzystania możliwości transmisyjnych światłowodów jest użycie laserów o stabilizowanych częstotliwościach. Jeśli częstotliwości laserów odniesione są względem źródła o wysokiej stabilności np. standardu atomowego, wówczas istnieje możliwość stworzenia systemu DWDM (dense WDM), w którym odległość między kanałami będzie ograniczona jedynie przez pasmo częstotliwościowe sygnału modulującego. W takim systemie demultipleksacja może wymagać przestrajanych elementów optycznych o wąskich pasmach, zapewniających możliwość precyzyjnego dostrojenia do przychodzącego sygnału.

Oprócz bardzo licznych prób laboratoryjnych, systemy WDM są badane r również na rozmieszczanych kablach komercyjnych systemów podmorskich (TAT-12, TPC-5). Uzyskiwane zasięgi są zależne od szybkości transmisji i liczby kanałów. Przykładowo, przy pracy z przepływnością 5 Bit/s (4 kanały) uzyskano za pomocą rozmieszczonych w lini co kilkadziesiąt kilometrów wzmacniaczy optycznych EDFA zasięg 4200 km. Natomiast rekordową przepływność 2.64 Tbit/s (2600 Gbit/s) osiągnęli Japończycy z firmy NEC, którym udało się w warunkach laboratoryjnych transmitować 132 kanały 20Gbit/s na odległość 120km. Odstęp między kanałami wynosił 33 GHz, długość światła laserów nadawczych była stopniowo synchronizowana do lasera HeNe, demultipleksacja zaś zachodziła dwustopniowo przy wykorzystaniu matryc siatek falowodowych i strojonych filtrów optycznych. Obecnie dostępne są komercyjne systemy WDM o przepływności dochodzących do 100 Gbit/s Bit więcej (40x2,5 Gbit/s, 16x10 Gbit/s).

2. SYSTEMY DWDM (denseWDM - gęste zwielokrotnienie długości fali)

Spektakularna popularność przekazów medialnych przez Internet powoduje, że trafik w sieciach szkieletowych infrastruktury globalnej podwaja się już co trzy miesiące, stając się jednocześnie główną przyczyną pogarszających się warunków transmisji informacji. Antidotum na dalszy rozwój takiej sytuacji jest szybkie wdrażanie sieci optycznych o terabitowych przepływnościach - działających w technologii zwielokrotnienia falowego DWDM.

Rys.1 Zasady zwielokrotnienia

W tradycyjnych sieciach optycznych SDH/SONET, które poprzedzały wdrożenie technologii wielofalowej DWDM (Dense WDM), stosowano prawie wyłącznie włókna wielomodowe działające w drugim oknie światłowodowym w pasmie 1310 nm, z przepływnością 2,5 Gb/s lub najwyżej 10 Gb/s (STM-64). W działaniu współczesnych aplikacji prędkości te są o wiele za małe do równoczesnego prowadzenia transmisji przez sieci szkieletowe użytkowane przez tysiące klientów i to nie tylko internetowych. Teraz w rdzeniu sieci globalnej potrzeba terabitowych (Tb/s) i petabitowych (Pb/s) szybkości do serwowania wideoprzekazów działających w czasie rzeczywistym, a czas wkrótce pokaże, czy i takie gigantyczne przepływności na długo wystarczą.

Zwiększenie przepływności toru przez powielenie falowe kanałów informacyjnych na bliskich, lecz różnych częstotliwościach pracy jest określane jako zwielokrotnienie falowe z podziałem długości fal WDM (Wavelength Division Multiplexing). Wymaga ono spójnego źródła światła z laserów jednoczęstotliwościowych o wąskiej charakterystyce widma i bardzo stabilnej częstotliwości pracy, jednomodowych światłowodów SMF (Single Mode Fiber) o odpowiednio ukształtowanej charakterystyce przenoszenia oraz elementów do przezroczystej multipleksacji i demultipleksacji fal optycznych o różnych długościach fal. Możliwa jest wtedy jednoczesna transmisja w jednym włóknie wielu fal optycznych o niewiele różniących się częstotliwościach, z których każda stanowi odrębny kanał transmisyjny o ustalonej maksymalnej szybkości transmisji, wynoszącej obecnie 2,5 Gb/s (STM-16), 10 Gb/s (STM-64) czy 40 Gb/s (STM-256). Sumaryczna przepływność takiego włókna ulega jednak zwielokrotnieniu tyle razy, ile jest optycznych fal nośnych prowadzonych w jednym włóknie światłowodu.

Rys.2 Wzrost przepływności we włóknie światłowodowym

Inaczej niż w tradycyjnych systemach optycznych SDH (1310 nm), wszystkie kanały transmisyjne DWDM muszą mieścić się wewnątrz pasma przenoszenia klasycznych wzmacniaczy optycznych EDFA (Erbium Doped Fiber Amplifier), czyli w pasmie o szerokości 35 nm (1530-1565 nm), a więc w trzecim oknie o obniżonej tłumienności włókna światłowodowego. Do uzyskania jedynie niewielkich krotności kanałów optycznych we włóknie - w stosunku do podstawowej szybkości przenoszenia - wystarczają zwykle już zainstalowane, standardowe jednomodowe włókna światłowodowe o przepływności 2,5 Gb/s, czyli spełniające zalecenia G.652. Taka operacja znakomicie zmniejsza łączny koszt transmisji zasobów informacyjnych przez długodystansową sieć optyczną, nie powodując jednocześnie podnoszenia szybkości transmisji i kłopotów z tym związanych. A przecież właśnie obniżenie kosztów transmisji, przy jednoczesnym podnoszeniu przepływności włókna, jest zasadniczym celem przyspieszonego wdrażania technologii optycznej DWDM.

Terabity w sieciach

Rys.3 Przykład aplikacji wzmacniacza optycznego EDFA

W ostatnich latach przepustowość optycznych systemów transmisyjnych podwajała się szybciej, niż przewidywało to prawo Moore’a obowiązujące w elektronice, a technologia DWDM w zasadniczy sposób przyczyniła się do przyspieszenia tego postępu w sieciach optycznych. Szybkość 5,12 Tb/s (Alcatel) w pojedynczym włóknie światłowodowym jest możliwa już dzisiaj. Uzyskanie w niedalekiej przyszłości transmisji o szybkości 10 Tb/s przez jedno włókno - co nie było do pomyślenia jeszcze parę lat temu - stanie się wkrótce podstawą do budowy traktów optycznych w sieciach szkieletowych o petabitowych przepływnościach. Są to już niewyobrażalnie duże szybkości transmisji, umożliwiające przekaz ponad 100 milionów (!) zwykłych rozmów telefonicznych za pomocą jednego światłowodu lub jednoczesne przesyłanie 640 tysięcy szybkich linii internetowych ADSL - każda z szybkością do 8 Mb/s.

Niekwestionowana potrzeba rozszerzania dotychczasowych przepływności sieci optycznych dokonuje się na kilka sposobów, ale właściwy efekt końcowy - czyli najwyższą pojemność sieci - uzyskuje się przez jednoczesną realizację trzech elementów: systemów gęstego zwielokrotnienia DWDM (UWDM) o podstawowej szybkości transmisji 40 Gb/s, techniki maksymalnego wykorzystania istniejącej szerokości pasma optycznego (wzmacniacze optyczne EDFA, przełączniki i komutatory optyczne) oraz nowych firmowych włókien światłowodowych o specjalnej konstrukcji, przystosowanych do wysokich przepływności.

4.4. SYSTEMY FDM - ZWIELOKROTNIENIE DŁUGOŚCI CZĘSTOTLIWOŚCI (frequency division multiplexing)

W systemach FDM często jest stosowana transmisja koherentna, która oprócz znacznie większej czułości odbioru w porównaniu z systemami tradycyjnymi, zapewnia również możliwość rozróżnienia bardzo blisko położonych obok siebie kanałów optycznych. W procesie mieszania sygnału odbieranego z heterodyną optyczną, zachodzi przeniesienie sygnałów częstotliwości optycznych do częstotliwości elektrycznych, gdzie nietrudno jest zastosować filtracje pasmowo-przepustową, która może być znacznie lepiej kontrolowana niż filtracja optyczna. W rezultacie odbiornik heterodynowy może rozróżniać kanały o odstępach bliskich minimum teoretycznego.

4.5. SYSTEMY ZE ZWIELOKROTNIENIEM PODNOŚNEJ SCM (subcarrier multiplexing)

W systemach ze zwielokrotnieniem podnośnej SCM sygnały cyfrowe lub/i analogowe modulują wiele podnośnych mikrofalowych, których częstotliwości różnią się od siebie. Następnie te zmodulowane podnośne są do siebie dodawane i jako jeden sygnał modulują prąd lasera półprzewodnikowego.

Użycie podnośnych o częstotliwościach mikrofalowych w systemie komunikacji optycznej daje możliwość projektowania szerokopasmowych systemów transmisyjnych i rozsiewczych mogących połączyć ze sobą sygnały analogowe i cyfrowe. Do zalet systemów SCM należą:

- możliwość wykorzystania ogromnego pasma przenoszenia światłowodu przy użyciu dobrze rozwiniętej technologii mikrofalowej dostępnej handlowo,

- możliwość współbieżnego rozwoju wraz ze zmianami transmitowanych sygnałów,

- elastyczność w projektowaniu systemów szerokopasmowych, które mogą transmitować zarówno sygnały analogowe, jak i cyfrowe, bez konieczności stosowania podziału czasowego TDM,

- brak konieczności bezwzględnej stabilizacji częstotliwości (wymaganej w systemach WDM lub FDM).

4.6. ZWIELOKROTNIENIE Z PODZIAŁEM CZASOWYM TDM I OTDM

Jak powszechnie wiadomo, multipleksacja/demultipleksaja z podziałem czasowym TDM polega na tym, że każdemu N multipleksowanych strumieni danych przyporządkowanych jest wiele szczelin czasowych w zmultipleksowanym kanale. Multiplekser tworzy więc z wielu strumieni danych o małej szybkości jeden strumień dużej szybkości. Te dane o dużej szybkości są następnie transmitowane światłowodem do odbiornika, gdzie demultiplekser dokonuje operacji odwrotnej, tzn. rekonstruuje ze strumienia danych o dużej szybkości N pierwotnych strumieni danych o małej szybkości. Technika zwielokrotnienia czasowego w dziedzinie elektrycznej jest dobrze znana i szeroko stosowana. Zgodnie z tą techniką pracuje wiele systemów transmisyjnych np. zgodnych z hierarchią PDH lub SDH.

Jednym z podstawowych problemów przy zwielokrotnianiu szybkich strumieni danych są ograniczenia związane z szybkością pracy układów elektronicznych. Wskutek tych ograniczeń przy obecnym stanie techniki osiągane są przepływności binarne zwielokrotnionego sygnału co najwyżej około 50 Gbit/s. Drugi problem przy zwielokrotnianiu TDM wiąże się z samym światłowodem, a w szczególności z jego dyspersją, która ogranicza iloczyn szybkości transmisji i odległości jaki może być osiągnięty w danym światłowodzie. Konieczne stają się techniki kompensacji dyspersji.

Choć technika zwielokrotnienia czasowego jest dobrze znana w dziedzinie elektronicznej, to dopiero stosunkowo niedawno znalazła zastosowanie w dziedzinie optycznej. Optyczne zwielokrotnienie z podziałem czasowym (OTDM - optical time division multiplexing) jest ważną techniką multipleksacji sygnałów dużej szybkości. Przy tej technice zarówno multipleksacja czasowa wielu strumieni danych o małej szybkości, jak również ich demultipleksacja w terminalu odbiorczym, dokonywana jest w sposób optyczny. To podejście usuwa konieczność stosowania bardzo szybkich układów elektronicznych, zastępując je układami optoelektronicznymi i optycznymi. Uważa się, że te ostatnie mają o wiele większe pasma działania i szybkość niż ich elektroniczne odpowiedniki.

Rys. schematy blokowe systemów a)TDM

b)OTDM

4.7. SYSTEMY ZE ZWIELOKROTNIENIEM KODOWYM CDM

W odróżnieniu od systemów FDM i TDM, gdzie wspólny kanał jest dzielony częstotliwościowo lub czasowo, w systemach ze zwielokrotnieniem kodowym CDM, wszystkie kanały wykorzystują jednocześnie to samo pasmo częstotliwości. W najprostszym przypadku zwielokrotnienie jest osiągnięte przez przyporządkowanie każdej parze nadajnik-odbiornik jaj indywidualnego kodu. Kod ten następnie jest splatany w nadajniku z wysyłanymi danymi. Odbiornik może zidentyfikować przeznaczony dla niego sygnał, jeśli generowany przez niego kod jest identyczny z kodem nadajnika, a ponadto oba kody są zsynchronizowane. Ten ostatni warunek oznacza, że odbiornik generuje synchronicznie (bez przesunięcia czasowego) kod identyczny jak kod odbieranego sygnału. Systemy ze zwielokrotnieniem kodowym można podzielić na takie, w których zwielokrotnienie dokonuje się na drodze elektrycznej i takie, w których zwielokrotnienie dokonuje się na drodze optycznej (tzw. ODM - optical code division multiplexing)

Literatura:

1. ”Wstęp do współczesnej telekomunikacji światłowodowej” J. Siuzdak

WKŁ 1997/1999 Warszawa wydanie drugie

2. strona internetowa: www.networld.pl.

3. artykuły zamieszczone w czasopiśmie NetWorld

10

---