Пассивная оптическая сеть (ПОС) представляет собой сеть типа «точка-многоточка», состоящую из оптического линейного терминала (ОЛТ) на стороне провайдера услуг и нескольких, как правило, 32, 64, 128 оптических сетевых узлов (ОСУ) на стороне абонента. Оптическая подсеть распределения (ОПР), соединяющая ОЛТ и ОСУ, представляет собой набор оптических пассивных устройств, реализующих соответственно функции 1×32, 1×64, 1×128. В течение последних 20 лет рабочие группы FSAN и ITU определили несколько стандартов ПОС, включая B-PON, G-PON, XG-PONи TWDM-PON, основанных на двунаправленной организации передачи информации с использованием двух или больше длин волн по одному волокну. Восходящие и нисходящие потоки разделяются соответствующими каждому стандарту устройствами на ОЛТ и ОСУ, в то время как ОПР всегда представляет собой набор сплиттеров, а применение в них селективных по длине волны устройств были запрещены. Таким образом, реализовывалась совместимость всех поколений ПОС по TDM/TDMAдоступу.
Впервые нарушение этого правила возникло при разработке WDM-PON, в которых в ОПР используются волновые селекторы, например AWG, а каждому ОСУ соответствует своя длина волны. Вторая причина обусловлена развитием систем мониторинга ПОС, основанных на частотных рефлектометрических системах [1; 4; 7]. Сегодня на первый план выходят методы, заключающиеся в маркировании отдельных каналов ПОС коммерчески доступными, недорогими средствами, например отражателями, расставленными по временной шкале для каждого ОСУ (для реализации TDM/TDMAдоступа), или волоконными решетками Брэгга (ВРБ) с уникальной длиной волны отражения для частотного доступа. При этом использование последних более предпочтительно, поскольку они позволяют дополнительно получить температурное распределение на каждом ONT и проводить мониторинг не только канала связи по целостности, но и по климатическим условиям, которые существенно определяют его спектральные характеристики [2].
Поскольку при строительстве новых ПОС проблема совместимости с ПОС старых поколений остро не стоит, поэтому для реализации как сети, так и системы мониторинга могут быть выбраны волновые или частотные технологии WDM-PON, OFDM-PON. Одна из таких систем, основанная на полигармоническом частотном мониторинге, представлена нами в [3]. Там же была рассмотрена возможность применения ВРБ, структурированных по принципу Канторова множества, для формирования как широких каналов для передачи информации, так и узких каналов для мониторинга сети и температуры на ONT. Таким образом, ОПР представляет собой новое поле для модернизации с целью улучшения метрологических и технико-экономических характеристик систем мониторинга ПОС. Применение структурированных ВРБ в ОПР позволит реализовать масочные технологии для улучшения качества мониторинга температуры на ОСУ, а возможное увеличение потерь в этом случае может быть устранено за счет применения двухчастотного гетеродинирования на ОЛТ для каждого из каналов.
Масочные технологии мониторинга ПОС. Рассмотрим технологию мониторинга (рис. 1), заключающуюся в том, что генерируют пару сигналов 1 и 2 заранее установленной близкой или равной амплитуды со средней частотой, соответствующей определенной частоте полосы пропускания оптическоймаски3’, расположенной на одном из выходных портов ОПР, при заданном значении параметра физического поля, и разностной частотой, достаточно узкой, для того чтобы оба сигнала попали в указанную полосу пропускания[10].
Рис. 1. Принципы масочного мониторинга ПОС по температуре при раздельном амплитудном анализе двухчастотного сигнала.
Далее по волокну передают сгенерированную пару сигналов к ОСУ, на котором установлена идентичная оптическая маска 3”, принимают пропущенную через нее пару сигналов, передаваемую по второй оптической среде, и определяют параметр физического поля, например температуры на ОСУ, сравнивая разности амплитуд 4 и 5 между сигналами пары, принятой после прохождения через оптическиемаски. Виды сигналов для калибровочной температуры (слева) и наличия температурного дрейфа (справа) представлены на рис.1.
Недостатком технологии является необходимость использования сложной оптической системы для раздельного спектрального приема отдельных компонент пар сигналов 4 и 5, требующей, как правило, наличия узкополосных интерференционных фильтров, в свою очередь, обладающих температурной зависимостью спектральных характеристик и подверженную воздействию шумов и помех различной природы. Все это приводит к появлению дополнительных источников погрешностей измерения параметров физических полей и снижению их точности в целом.
Для устранения этих недостатков предложено проводить обработку по огибающей двухчастотного сигнала, что позволит упростить обработку и перенести ее в область минимальных шумов фотоприемника. Для формирования зондирующего излучения длины волн лазеров диапазона мониторинга l1,…, lN дополнительно модулируются по амплитуде и фазе, так что представляют собой двухчастотное излучение с подавленной несущей и равными амплитудами [1; 5]. Разностная частота Dl укладывается в спектр отражения ВРБ и, как правило, равна ширине ее полосы пропускания на уровне 3 дБ. Получение такого излучения возможно в модуляторе Маха-Цендера при его работе в «нулевой» рабочей точке.
Рассмотрим варианты формирования масок для построения многоканальной системы мониторинга.
2. Структурированные ВРБ как маски системы мониторинга
С точки зрения формирования многоканальных распределенных решеток разработаны и продемонстрированы разновидности указанных выше решеток с sinc-дискретизацией и дискретизацией только фазы, суперструктурированые решетки и решетки на основе эффекта Талбота. Среди перечисленных наибольшее внимание привлекают решетки с фазовым сдвигом и только фазовой дискретизацией, которые могут быть изготовлены с помощью простых фазовых масок с минимальными требованиями, предъявляемыми к параметрам модуляции коэффициента преломления и равномерности характеристик его профиля.
На рис. 2 показан вариант маски [6] на основе 10 однородных решеток.
Рис. 2. Однородная маска из 10 последовательно расположенных решеток.
Недостатком такой системы является неэффективное использование канала передачи с выделением одинаковой полосы спектра под передачу данных и под систему мониторинга.
Нами в [3] впервые рассмотрена дискретизация ВРБ по закону канторова множества с фрактальной размерностью D=ln2/ln3 и рассмотрена возможность создания структуры параллельных каналов с идентичными фазовыми параметрами для распределенных систем. Спектральные характеристики указанной маски представлены на рис. 3а и представляют собой чередование широкополосных каналов для передачи информации (выделены светло-красным) и узкополосных каналов для системы мониторинга. На рис. 3б представлены спектральные характеристики двойной симметричной ВРБ [8], которая может быть использована в канале мониторинга ОСУдля формирования двухчастотного излучения при реализации некогерентного анализа без использования дорогостоящих модуляторов Маха-Цендера.
а 
б
Рис. 3. Спектральные характеристики ВРБ при реализации принципа канторова множества (а) и двойного симметричного преобразования (б).
Такой вариант системы мониторинга значительно выигрывает по стоимости у всех существующих, использующих мониторинг на несущей каждого канала. Дискриминирующими каналы параметром может являться ширина волнового разноса Dl.
3. Гетеродинирование сигналов мониторинга на ОЛТ
Установка дополнительных масочных ВРБ, несомненно, приведет к появлению дополнительных потерь в ОПР. Нормированные значения для существующих ОПР составляют по потерям 20-25 дБ, для ПОС нового поколения эти значения увеличены до 35 дБ для восходящего потока в 2,5 Гбит/с.
Нами в [9] предложена схема двухчастотного гетеродина, использование которой позволяет значительно повысить чувствительность измерений в условиях помех и низкочастотных флуктуаций другой природы.
На рис. 4 представлена структурная схема ОЛТ с двухчастотным гетеродином.
Рассмотрим прохождение сигнала, отраженного от ВРБ ОСУ1…ОСУNλ канала мониторинга через такую систему. Предполагая, что в пределах апертуры фотодетектора обеспечивается пространственная погрешность первого порядка, амплитуды A1 и A2 составляющих излучения двухчастотного гетеродина поляризованы одинаково, для напряженности электрического поля E(t) на входе приемника можно записать
, (1)
где 
, 
и 
− угловые частоты составляющих двухчастотного гетеродина ипринимаемого сигнала, φ1, φ2 и φs – их фазы.
Рис. 4. ОЛТ с двухчастотным гетеродином.
Выходной сигнал фотоприемника описывается как
, (2)
где η- коэффициент пропорциональности, учитывающий квантовую эффективность фотоприемника.
С учетом закона Столетова практически идеальной квадратичности фотоприемников оптического диапазона и значительного превышения интенсивности излучения гетеродина над интенсивностью сигнала выходной сигнал приемника состоит только из постоянных составляющих и составляющих с разностными частотами. В случае когда волны не обладают пространственной когерентностью первого порядка и (или) поляризованы в различных направлениях, сигнал I уменьшается.
Полагая, что 
, а сигнал с выхода фотоприемника через заграждающий фильтр на частоте 
поступает на второй квадратичный электронный приемник, получим
, (3)
. (4)
При установке на выходе второго электронного приемника узкополосного пропускающего фильтра на частоту его выходной сигнал будет представлять собой лишь изменение амплитуды обратно-рассеянного сигнала без учета нестабильностей частоты передатчика
, (5)
где kf - коэффициент, характеризующий АЧХ фильтра, а Δωs - информационная полоса сигнала (частота огибающей двухчастотного зондирующего сигнала).
Заключение
Предложены новыетехнологиимониторинга пассивных оптических сетей, основанные, в отличие от существующих, на модернизации и введении специальных элементов в ОПР.Разработанымасочные технологии для более детального контроля различий в температурных условиях на ОЛТ и ОСУ. Для изготовления масок используются ВРБ, структурированные по фазе. В целях компенсации вносимых структурированными ВРБ потерь введен компенсационный механизм, основанный на двухчастотном гетеродинировании на ОЛТ. Показано, что использование указанных технологий позволит обеспечить уровень сигналов системы мониторинга с энергетическим запасом до 35 дБ, производить фильтрацию сигналов обратного рассеяния, разнести масочные технологии на уровнях ОПР и ОСУ с использованием одинаковых длин волн в разных кластерах ОСУ.
Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации в рамках базовой и проектной частей государственного задания ФГБОУ ВПО «КНИТУ-КАИ» (программа «Фотоника», задание З.1962.2014К) и договора №9932/17/07-К-12 от 20.11.2012 между КНИТУ-КАИ и ОАО «КАМАЗ».
Рецензенты:
Морозов О.Г., д.т.н., профессор, директор Научно-исследовательского института прикладной электродинамики, фотоники и живых систем ФГБОУ ВПО «Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева-КАИ», г. Казань.
Морозов Г.А., д.т.н., профессор, директор Казанского филиала ФГОБУ ВПО «Поволжский государственный университет телекоммуникаций и информатики», г. Казань.
Библиографическая ссылка
Алюшина С.Г. РАЗВИТИЕ СИСТЕМ МОНИТОРИНГА ПАССИВНЫХ ОПТИЧЕСКИХ СЕТЕЙ С МОДЕРНИЗАЦИЕЙ ПОДСЕТЕЙ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ // Современные проблемы науки и образования. – 2014. – № 4. ;URL: https://science-education.ru/ru/article/view?id=14434 (дата обращения: 10.09.2024).