Передача сигнала «Radio-over-Fiber» по ВОЛП в режиме плотного управления дисперсией

Технология Radio over Fiber (RoF) представляет собой способ передачи радиосигналов миллиметрового диапазона по оптическому волокну (ОВ) и в настоящее время находит применение в мобильные сетях 3 и 4 поколений, беспроводных сетях доступа WiFi, WiMax, а также оптических сетях доступа [1-3]. На рис. 1 приведена структура сегмента сети RoF. На центральной станции оптическая несущая модулируется на поднесущих СВЧ-диапазона цифровыми информационными сигналами со скоростями от 1 до 10 Гбит/с и передается по волоконно-оптической линии передачи (ВОЛП) на базовые станции. На базовой станции производится оптико-электрическое преобразование, и радиосигнал передается в эфир в пределах зоны радиусом от единиц до десятков метров. Абонентские терминалы принимают и демодулируют сигнал [1-3].

Рис. 1. Обобщенная структура сегмента сети RoF

Основные достоинства технологии RoF заключаются в увеличении пропускной способности, упрощении абонентского оборудования и снижения затрат при инсталляции и эксплуатации, что в конечном итоге приводит к увеличению экономическая эффективность сети [1-4].

Модуляция оптического сигнала может осуществляться различными способами. Спектр модулированного сигнала может содержать две боковые полосы и несущую (Double-Sideband – DSB), одну боковую полосу и несущую (SingleSideband – SSB) или две боковые полосы с подавленной несущей (Optical Carrier Suppression – OCS). В настоящее время наиболее широко применяются форматы SSB и OCS [1-4].

Для существующих систем RoF актуальна задача передачи информационного сигнала со скоростью 10 Гбит/с на расстояния порядка 50 км с эффективными коммерческими показателями. Так, в [5] была продемонстрирована возможность передачи информационного RoF сигнала со скоростью 10 Гбит/с для стандартного одномодового оптического волокна на расстояние 7 км при DSB модуляции (BER = 10-9) и на расстояние до 50 км (BER = 10-9) при SSB модуляции. Этой же группой авторов в работе [6] удалось реализовать схему SSB модуляции с использованием двух лазеров, разнесенных между собой на частоту 33 ГГц, и получить аналогичные результаты. Однако данные достижения получены с использованием кодера упреждающей коррекции ошибок (forward error correction – FEC) и эрбиевого волоконно-оптического предусилителя (Erbium Doped Fiber Amplifiers – EDFA), что приводит к увеличению стоимости передатчика, приемника и снижению экономического эффекта.

В [7] для увеличения протяженности RoF сети и компенсации влияния хроматической дисперсии (ХД) было предложено использовать дисперсионно-управляемые оптические солитоны, формируемые на одном периоде дисперсионной карты (Dispersion Managed Soliton – DMS). Параметры карты рассчитывались с использованием методики, изложенной в [8]. В результате авторам удалось обеспечить передачу информационного сигнала со скоростью 10 Гб/с на расстояние 59,6 км, при этом протяженность телекоммуникационного ОВ составляла 30,2 км.

Более эффективным методом формирования оптических солитонов является плотный режим управления дисперсией (Dense Dispersion Managed Solitons – DDMS). Режим DDMS поз- воляет уменьшить требуемый уровень вводимой мощности, увеличить протяженность и скорость передачи [9]. Таким образом, представляет интерес исследование характеристик передачи сигнала RoF в режиме DDMS для различных дисперсионных карт (ДК). Статья посвящена исследованию ДК, адаптированных для передачи информации со скоростью 10 Гбит/с в RoF сетях на основе DDMS с учетом параметров телекоммуникационных ОВ, а также параметров коммерчески доступных элементов компенсации ХД.

Методы реализации плотного режима управления дисперсией на ВОЛП

С практической точки зрения режим DDMS оптимально организовывать на этапе строительства, используя строительные длины оптического кабеля (ОК) с различными типами ОВ в соответствии с выбранной схемой компенсации дисперсии или ОК с уже заложенной в него ДК [10]. Для существующих ВОЛП требуется другой вариант организации DDMS, позволяющий уменьшить объем земляных работ при реконструкции. С точки зрения практической реализуемости авторами [11] был предложен вариант организации DDMS при модернизации ВОЛП путем включения DCF в местах соединения строительных длин оптического кабеля. При этом реконструкция может быть сведена к повторному монтажу или замене оптических муфт.

Особенностью ВОЛП с управлением дисперсией является существование оптимальной точки приема, расположение которой зависит от величины накопленной дисперсии [12]. Как известно, помимо вариации протяженности строительных длин ОК при производстве, наблюдается дополнительный разброс длин при прокладкеимонтажемуфт,связанныйс привязкой к конкретной местности. По этой причине использование компенсаторов с фиксированными значениями накопленной отрицательной дисперсии в приложении к реальным условиям приводит к разбросу параметров ДК, который может нарушить устойчивость режима DDMS. Решением указанной проблемы может служить применение оптических кабельных вставок с DCF. Длина вставки подбирается таким образом, чтобы обеспечивалась заданная величина остаточной дисперсии на одном периоде ДК. В случае реконструкции монтаж кабельной вставки может производиться в существующей оптической муфте при наличии свободных портов, или с установкой новой многопортовой муфты.

Использование кабельных вставок с DCF формирует асимметричную ДК. Как показывают исследования [14], в подобных ДК наблюдается существенная межсимвольная интерференция (МСИ) оптических импульсов, оказывающая существенное влияние на качество и дальность передачи.

Существуют различные подходы к формированию ДК [15-16]. Например, в [16-17] методика подбора ДК заключается в минимизации взаимодействия между соседними импульсами. Используя данную методику для двухсегментной ДК, состоящей из оптических волокон двух типов: SMF и DCF (см. таблицу 1), при протяженности оптического тракта 50 км оптимальное число периодов ДК будет составлять 10 … 30. Таким образом, периодичность включения DCF составит от 1,67 км до 5 км при условии соблюдения кратности числа периодов ДК на длине ВОЛП. С практической точки зрения целесообразно рассмотреть привязку длины сегмента SMF к среднему расстоянию между оптическими муфтами, учитывая, что типовая протяженность строительных длин ОК составляет от 2 до 6 км.

Таблица 1. Параметры ОВ (длина волны 1550 нм)

Параметр	SMF	DCF
а, дБ/км	0.22	0.42
D, пс/нм/км	17	-100
S, пс/нм2/км	0,092	-0.23
«2 м/Вт	2,7-10"20	2,7-10"20
А^, мкм2	80	30

Распространение RoF сигнала в оптическом тракте с управлением дисперсией

В данной работе рассматривается сигнал RoF формата SSB, спектр которого содержит несущую и одну боковую полосу. Распространение RoF сигнала в ОВ может быть описано системой двух нелинейных уравнений Шредингера (НЛУШ). Первое уравнение описывает распространение несущей. Второе уравнение описывает распространение боковой полосой. Так как для RoF максимальный разнос между несущей и боковой составляет 60 ГГц (что существенно меньше 13 ТГц), явлением вынужденного комбинационного рассеяния можно пренебречь. Также, поскольку значения локальной дисперсии достаточно большие, явление четырех волнового смешения не учитывается. В итоге получаем систему вида:

= ^(4К\2 + 2l4fk;

ГГь^фГг^Ъ^ 2 ='H-)(Kl2 ^krk’ где Ac - ^s – огибающие несущей и боковой; Avg- разница групповых скоростей распространения несущей и боковой; ^Az\ Pls^ – дисперсия групповых скоростей (ДГС) несущей и боковой; “(z) – коэффициент затухания, /(z) – коэффициент нелинейности.

Коэффициент нелинейности определяется выражением:

И2®0 с^эфф где n2 – нелинейный показатель преломления; с – скорость света в вакууме; Аэфф – эффективная площадь моды. Форма солитона в режиме с управлением дисперсией близка к гауссовой и может быть представлена уравнением:

A(z,t) = Л_о exp

где ^0 – амплитуда; ^0 – длительность импульса (половина ширины по уровню 1/e); С – чирп.

Пиковая мощность, необходимая для формирования солитонного режима, определялась выражением:

где (^2) – среднее значение дисперсии групповых скоростей дисперсионной карты.

Среднее значение ДГС для ВОЛП с управлением дисперсией определялось как:

(ti-

PlSMF^SMF + PlDCF^DCF LsMF +LpCF где P1SMF’ Pi DCF ’ Lsmf; Ldcf – дисперсии групповых скоростей и длины сегментов стандартного и компенсирующего волокон, соответственно.

Расчет длины сегмента волокна компенсации производился по формуле

,    _ kPl§MF ^— Pl res }^SMF

DCF‘ V^M ’

где pTres – коэффициент остаточной дисперсии на одном периоде дисперсионной карты.

Результаты моделирования

Решение системы НЛУШ производилось численно с использованием Фурье-метода расщепления по физическим параметрам. Выбор шага метода производился таким образом, чтобы нелинейный набег фазы не превышал 0,01 рад и был много меньше дисперсионной длины и длины нелинейности.

Сигнал RoF был смоделирован в виде непрерывного излучения лазера с частотой 193,4 ТГц (длина волны 1550,12 нм) и оптического излучения, центральная частота которого смещена на 60 ГГц и промодулирована информационным сигналом 10 Гбит/c. Оценка качества передачи производилась через Q-фактор, определяемый по глаз-диаграмме.

Для исследования влияния параметров дисперсионной карты на качество передачи было выполнено моделирование распространения RoF сигнала в оптическом тракте протяженностью 48 км для различных длин сегментов SMF (от 4 до 8 км) и для различных величин остаточной дисперсии.

Пример эволюции солитона на одном периоде дисперсионной карты с параметрами ^Lsmf - 8 km и Plres⁼ -°’³ ПС²/КМ приведен на рис. 2.

Рис. 2. Эволюция солитона на одном периоде ДК

На рис. 3. приведены вариации длительности cо-литона при распространении сигнала в оптическом тракте с вышеприведенными параметрами ДК.

Рис. 3. Вариации длительности солитона в оптическом тракте с DDMS

На рис. 4-5 приведены зависимости Q-фактора и требуемой пиковой мощности солитона в зависимости от длины сегмента ^SMF и средней остаточной дисперсии Plavg .

Таким образом, при увеличении остаточной дисперсии требуется увеличение мощности импульса, однако при этом увеличивается Q-фактор. При величине остаточной дисперсии от –0,25 до –0,35 Q-фактор лежит в пределах 15 … 25 дБ, при этом требуемая пиковая мощность импульса должна составлять 2-3 мВт.

Рис. 4. Зависимость Q-фактора от параметров ДК

Рис. 5. Зависимость пиковой мощности солитона от параметров ДК

В заключение можно сделать вывод о перспективах применения технологии DDMS на RoF сетях при соответствующем подборе параметров ДК.