ДВОЙНАЯ ПАССИВНАЯ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКАЯ СЕТЬ Российский патент 2009 года по МПК H04B10/12 

Изобретение относится к области телекоммуникации, к пассивным волоконно-оптическим сетям с шинной топологией, и может быть использовано в широковещательных телекоммуникационных сетях, а также в локальных сетях обмена данными.

В области телекоммуникации под пассивными сетями понимают сети, в которых передача оптического сигнала между центральным управляющим узлом (контроллером) и множеством абонентских узлов осуществляется пассивными компонентами.

Известна пассивная волоконно-оптическая сеть, содержащая первую и вторую однонаправленные шины из оптического волокна и множество направленных ответвителей, включенных в первую и вторую шины, центральный управляющий узел (контроллер) сети и множество абонентских узлов. Передатчики абонентских узлов оптически связаны с первой шиной через направленные ответвители первой шины, а приемники - со второй шиной через направленные ответвители второй шины. Передатчик контроллера оптически связан с концом второй шины, а приемник - с концом первой шины. Все ответвители в шинах имеют равные коэффициенты ответвления [1].

Недостатком известной сети является ограничение по числу N обслуживаемых абонентских узлов в сети, которое определяется наименьшим из коэффициентов передачи в сети. В первой шине таковым будет коэффициент передачи К_N - от передатчика абонентского узла, связанного с последним N ответвителем в шине, до приемника контроллера. Во второй шине - коэффициент передачи, равный упомянутому К_N, от передатчика контроллера до приемника последнего абонентского узла:

где α - коэффициент ответвления.

Выражение (1) имеет максимум при α=1/(N-2):

Если Ризл - мощность излучения, вводимая в волокно, а Рпор - пороговая чувствительность приемника, то, очевидно, наименьший коэффициент передачи в сети должен удовлетворять неравенству:

Из (2) и (3) получаем следующую оценку числа N в идеализированной (без потерь) сети:

Отношение [Ризл/Рпор] в логарифмическом выражении носит название энергетического потенциала сети (или бюджета сети) и определяет предельно возможное число обслуживаемых абонентских узлов в пассивной сети, когда мощность от передатчика равномерно распределяется по приемникам абонентских узлов. Как видим из (4), известная сеть почти втрое уступает этому параметру. Кроме того, сеть предъявляет повышенные требования к динамическому диапазону используемых в сети приемников из-за различия в коэффициентах передачи в шинах для разных абонентских узлов.

Известна двойная волоконно-оптическая сеть, содержащая первую и вторую сети с первым и вторым центральными управляющими узлами (контроллерами) соответственно и множествами абонентских узлов, первую и вторую двунаправленные шины из оптического волокна и множество направленных ответвителей, включенных в первую и вторую шины. Первый и второй центральные управляющие узлы размещены на противоположных концах шин. Передатчики центральных управляющих узлов оптически связаны со второй шиной, а приемники - с первой шиной через упомянутые противоположные концы шин. Передатчики абонентских узлов первой и второй сетей оптически связаны с первой шиной через направленные ответвители первой шины с возможностью передачи в направлении первого и второго центральных управляющих узлов соответственно. Приемники абонентских узлов первой и второй сетей оптически связаны со второй шиной через направленные ответвители второй шины с возможностью приема передачи от первого и второго центральных управляющих узлов соответственно. Длина волны передачи в первой сети отлична от длины волны передачи во второй сети [2].

Разные рабочие длины волн в первой и второй сетях позволяют снизить перекрестные помехи при одновременной передаче в первой и второй сетях.

Данное техническое решение принято за прототип.

Прототип имеет те же недостатки, что и аналог с однонаправленными шинами: ограничение на количество абонентских узлов в каждой из сетей, оцениваемое зависимостью (4) и повышенными требованиями к динамическому диапазону приемников в сети. В аналоге [1] с однонаправленными шинами эти недостатки могут быть устранены исполнением направленных ответвителей в шинах с убыванием коэффициентов ответвления в порядке их следования в шинах по направлению к контроллеру. Для идеализированной (без потерь) сети ответвители в этом случае выполняются с коэффициентами ответвления из гармонической последовательности: 1, , , …, , . Этот прием использован в известной пассивной волоконно-оптической сети обмена данными с однонаправленной петлевой шиной [3]. Нетрудно видеть, что в двойной сети с двунаправленными шинами такое техническое решение не проходит, так как полностью нарушает работу одной из сетей.

Предлагаемым изобретением решаются задачи увеличения количества абонентских узлов в сетях при одновременном снижении требований к динамическому диапазону используемых приемников и расширения арсенала технических средств в области телекоммуникации.

Для достижения этого технического результата двойная пассивная волоконно-оптическая сеть содержит первую и вторую сети с первым и вторым центральными управляющими узлами (контроллерами) соответственно и множествами абонентских узлов, первую и вторую двунаправленные шины из оптического волокна и множество направленных ответвителей, включенных в первую и вторую шины. Первый и второй центральные управляющие узлы размещены на противоположных концах шин. Передатчики центральных управляющих узлов оптически связаны со второй шиной, а приемники - с первой шиной через упомянутые противоположные концы шин. Передатчики абонентских узлов первой и второй сетей оптически связаны с первой шиной через направленные ответвители первой шины с возможностью передачи в направлении первого и второго центральных управляющих узлов соответственно. Приемники абонентских узлов первой и второй сетей оптически связаны со второй шиной через направленные ответвители второй шины с возможностью приема передачи от первого и второго центральных управляющих узлов соответственно. В первой двунаправленной шине длины волн передач абонентскими узлами первой сети отличны от длин волн передач абонентскими узлами второй сети. Во второй двунаправленной шине длина волны передачи первого центрального управляющего узла отлична от длины волны передачи второго центрального управляющего узла. В отличие от прототипа направленные ответвители каждой из двунаправленных шин в порядке их размещения в шинах от первого центрального управляющего узла ко второму выполнены с возрастанием коэффициентов ответвления на упомянутых длинах волн передачи в первой сети и с убыванием коэффициентов ответвления на длинах волн передачи во второй сети.

Согласно частного случая исполнения направленные ответвители выполнены с коэффициентами ответвления α_i(λ₁) на длине волны λ₁ передачи в первой сети и α_i(λ₂)на длине волны λ₂ передачи во второй сети согласно следующим рекуррентным формулам:

;

;

,

где i - порядковый номер ответвителя в первой и второй шинах, N - число ответвителей в каждой шине, δ_i - суммарные потери (дБ) на участке шины между (i-1)^М и i^М ответвителями шины, включая избыточные потери i^го ответвителя.

Согласно частного случая исполнения приемник каждого узла содержит избирательный фильтр на принимаемую длину волны.

Изобретение проиллюстрировано чертежами, где:

На Фиг.1 изображена блок-схема двойной пассивной волоконно-оптической сети.

На Фиг.2 изображена функциональная схема спектрально-зависимого направленного ответвителя

На Фиг.3 приведено схематическое изображение направленного ответвителя на двух связанных оптических волноводах

На Фиг.4 приведены графики биения мощности вдоль однородных связанных волноводов для двух длин волн λ₁≠λ₂.

Двойная пассивная волоконно-оптическая сеть (Фиг.1) содержит первую и вторую двунаправленные шины 1 и 2 из оптического волокна, первый и второй центральные управляющие узлы (контроллеры) 3 и 4, множество абонентских узлов 11, 12, 13, 14 первой сети и множество абонентских узлов 21, 22, 23, 24 второй сети, направленные ответвители 5, 6, 7, 8 первой шины 1 и направленные ответвители 15, 16, 17, 18 второй шины 2. Передатчики Т первого и второго контроллеров 3 и 4 оптически связаны со второй шиной 2 через ее концы 9 и 10. Приемники R первого и второго контроллеров 3 и 4 оптически связаны с первой шиной через ее концы 19 и 20. Передатчики Т абонентских узлов 11 и 21, 12 и 22, 13 и 23, 14 и 24 оптически связаны с первой шиной 1 через направленные ответвители 5, 6, 7, 8 соответственно. Приемники R абонентских узлов 11 и 21, 12 и 22, 13 и 23, 14 и 24 оптически связаны со второй шиной 2 через направленные ответвители 15, 16, 17, 18 соответственно. Все передатчики Т абонентских узлов 11, 12, 13, 14 и первого контролера 3 первой сети ведут передачу на длине волны λ₁. Все передатчики Т абонентских узлов 21, 22, 23, 24 и второго контроллера 4 ведут передачу на длине волны λ₂ (λ₂≠λ₁). Приемники узлов для увеличения развязки сетей (снижения перекрестных помех) могут быть снабжены избирательными фильтрами (не показаны) на принимаемую длину волны. В рассматриваемом варианте исполнения - это длина волны λ₁ и длина волны λ₂.

Направленные ответвители 5, 6, 7, 8 и 15, 16, 17, 18, функциональная схема которых изображена на Фиг.2, имеют спектрально-зависимый коэффициент ответвления α_i(λ), где i - порядковый номер расположения ответвителя в шинах 1, 2 в направлении от первого контроллера 3 ко второму контроллеру 4. На фиг.1 ответвители 11 и 21 имеют номер 1, ответвители 12 и 22 - номер 2, и т.д., последние в шинах ответвители 14 и 24 - номер N. Коэффициенты ответвления α_i(λ) возрастают с увеличением порядкового номера i ответвителя на длине волны λ₁ и убывают на длине волны λ₂ в соответствии со следующими рекуррентными формулами:

где δ_i - суммарные потери на участке между (i-1) и i ответвителями; , где δ_i ⁽³⁾ [дБ/км] - погонное затухание оптического волокна на участке длиной l [км], δ_i ⁽²⁾ [дБ] - избыточные потери i ответвителя, δ_i ⁽³⁾ [дБ] - суммарные потери в соединениях оптических волокон на упомянутом участке. В таблице 1 приведены оптимальные коэффициенты ответвления α_i(λ) для ответвителей первой и второй шин в отсутствии потерь в сети (δ_i=0), позволяющие получить максимальное число абонентских узлов в сети.

Таблица 1 Поз. на Фиг.1 11 и 21 12 и 22     13 и 23 14 и 24 I 1 2 3… …N-2 N-1 N α_i(λ₁) 1/N 1/N-2 1/N-2… …1/3 1/2 1 α_i(λ₂) 1 1/2 1/3… …1/N-2 1/N-1 1/N

Число N равно теоретическому пределу для пассивных сетей, который определяется энергетическим потенциалом (бюджетом) сети: φ=101g [Ризл/Рпор]. При этом одновременно достигается снижение требований к динамическому диапазону используемых в сети приемников - результат постоянства уровня принимаемой мощности центральным и абонентскими узлами.

Приведем вывод формул (5). Рассмотрим изменение энергетического потенциала φ_i вдоль шины 2 в первой сети. Потенциал на конце 9 шины равен φ; потенциал за первым в шине ответвителем (поз.15) равен φ₁=φ-δ₁+101g(1-α₁), где δ₁ - суммарные потери на участке от контроллера 9 до первого ответвителя (поз.15) в шине (включая избыточные потери ответвителя); потенциал за вторым ответвителем (поз.16) равен φ₂=φ₁-δ₂+10lg(1-α₂), где δ₂ - потери на участке от первого ответвителя до второго (включая избыточные потери второго ответвителя), тогда для потенциала за i ответвителем можно написать:

Энергетический потенциал φ_R на приемнике R каждого абонентского узла 11, …, 14 равен нулю - условие получения мощности Рпор на приемнике. Тогда для потенциала φ_R приемника, связанного с i^м ответвителем, можно написать:

Выражение (6) с учетом уравнения (7) приводим к виду:

Или для

Подставляя в последнее уравнение выражение для φ_i-1 из (7), получаем первую из рекуррентных формул (5):

Для энергетических потенциалов во второй сети можно написать:

, где φ - потенциал на конце 10 шины 2 во второй сети; - суммарные потери на участке от второго контроллера 4 до N^го ответвителя в шине (поз.18); , где - суммарные потери на участке от N^го ответвителя до (N-1)^го ответвителя; и для потенциала имеем:

Для потенциалов на приемниках второй сети запишем:

Производя с уравнениями (8) и (9) преобразования аналогичные вышеописанным преобразованиям с уравнениями (6) и (7), приходим к формуле:

.

Полагая, что избыточные потери ответвителя не зависят от его номера i, имеем , и окончательно получаем вторую из рекуррентных формул (5):

.

В таблице 2 приведены оптимальные коэффициенты ответвления в сети с одинаковыми суммарными потерями на участках шин между соседними ответвителями: δ₁=δ₂=…=δ_N=1 дБ (длина участка l_i=1…2 км, δ_i ⁽¹⁾=0,2…0,3 дБ; δ_i ⁽²⁾=0,3 дБ; δ_i ⁽³⁾=0,3 дБ), рассчитанные по формулам (5); энергетический потенциал сети

φ=29,85 дБ.

Таблица 2 i 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 α_i(λ₁) 0,001 0,0013 0,0016 0,0021 0,0026 0,0033 0,0042 0,0053 0,0067 0,0085 0,011 0,014 α_i(λ₂) 1 0,443 0,260 0,171 0,120 0,087 0,065 0,049 0,037 0,029 0,022 0,017 α_i(λ₁) 0,017 0,022 0,029 0,037 0,049 0,065 0,087 0,120 0,171 0,260 0,443 1 α_i(λ₂) 0,014 0,011 0,0085 0,0067 0,053 0,042 0,0033 0,002 0,0021 0,0016 0,001 0,001

Среди известных направленных ответвителей, отвечающих требованиям изобретения, следует выделить ответвители, устроенные по принципу связанных волноводов. Схема такого ответвителя изображена на Фиг.3. Оптические волноводы 31, 32, расположенные параллельно друг другу, взаимодействуют между собой спадающими внешними полями. Взаимодействие волноводов приводит к тому, что мощность моды одного волновода частично передается моде другого волновода. Мощность, переданная в моду волновода 32, имеет вид [5, стр.231-236]:

где F₁ - мощность на входном порту волновода 31; Δβ=(β₁-β₂)/2,

β₁, β₂ - фазовые постоянные распространения мод волноводов 31, 32 соответственно; с - коэффициент связи между модами волноводов (коэффициент связи С имеет обратную экспоненциальную зависимость от расстояния d между волноводами и обратно пропорциональную зависимость от длины волны λ).

На Фиг.4 представлены графики биения мощности F₂ вдоль волновода для двух длин волн λ₁=1550 нм и λ₂=1310 нм и нормированной мощности F₁=1. Длины биений l₁, l₂ на длинах волн λ₁, λ₂ соотносятся следующим образом: l₁:l₂≈λ₁:λ₂=1550/1310≈1,28. Графики наглядно показывают, что варьируя величинами с, Δβ и длиной связи L (Фиг.3), всегда можно добиться коэффициентов ответвления α_i(λ₁) и α_i(λ₂), отвечающих данным таблиц 1 и 2. Отметим, что рассмотренные ответвители являются широкополосными устройствами, и соотношения, близкие к указанным в таблицах 1 и 2, будут выполняться в двух полосах: 1550±40 нм и 1310±40 нм.

Спектрально зависимые ответвители нашли применение в устройствах частотного уплотнения/разделения (WDM- мультиплексорах), для которых стремятся иметь коэффициенты α(λ₁)=1, α(λ₂)=0. Как следует из выражения (10) и графиков, это возможно только при условии соблюдения фазового синхронизма: Δβ=0. Последнее трудновыполнимо на практике, и поэтому WDM-мультиплексоры всегда имеют избыточные потери, снижающие уровень оптического сигнала на приемниках сетей, использующих WDM-мультиплексирование. И, как следствие, сокращается количество абонентских узлов - пропорционально вносимым потерям. В то же время указанный недостаток ответвителей незначительно влияет на общее количество абонентских узлов в изобретении, так как приводит к сокращению только двух крайних в шинах (фиг.1) абонентских узлов (см. таблицу 1). Лучшим исполнением ответвителя в изобретении является ответвитель на связанных волноводах, получаемый из оптических волокон методом сплавления (см., например [7]).

Заявленная двойная сеть может использоваться: 1) как сеть обмена данными между абонентскими узлами, в этом случае контроллеры выполняют функции ретрансляторов передачи из второй шины в первую; 2) как широковещательная сеть доступа. Причем первая и вторая сети двойной сети работают независимо одна от другой.

Работа первой и второй сетей в заявленной сети Фиг.1, как широковещательных сетей доступа, основана на том же принципе, что и работа сетей, известных как PON (Passive Optical Networks) [4, стр.469-478].

Опишем их работу на примере первой сети. Центральный узел OLT (Optical Line Terminal) 3 принимает данные со стороны магистральных сетей через интерфейсы подключения SNI (Service Node Interfaces) и формирует первый поток (аналогичный нисходящему потоку в PON) к абонентским узлам ONU (Optical Network Unit) 11, 12, …, 14 во второй шине 2. При этом используется любой из известных в PON-технологиях способов формирования потока, например, синхронной передачей с разделением во времени TDM (Time Division Multiplexing) сигналов, предназначенных разным абонентским узлам 11, 12, …, 14. Передатчик Т центрального узла работает на фиксированной длине волны, например, λ₁=1550 нм и поток излучения равномерно распределяется ответвителями 15, 16, …, 18 по приемникам R абонентских узлов 11, 12, …, 14. Второй поток (аналогичный восходящему потоку в PON) от абонентских узлов 11, …, 14 к приемнику R центрального узла 3 формируется способом синхронного доступа с временным разделением TDMA (Time Division Multiplexing Access) сигналов от передатчиков Т абонентских узлов 11, 12, …, 14 в первой шине 1 (излучение от передатчиков вводится в шину ответвителями 5, 6, 7, 8). При этом передача ведется на той же длине волны λ₁=1550 нм и каждому абонентскому узлу 11, 12, …, 14 устанавливается индивидуальное расписание с учетом удаленности узла от приемника R центрального узла 3.

В заявленной сети также возможна передача частотно-временными пакетами сигналов [6, стр.250]. В первом потоке временные позиции сигналов, предназначенные разным абонентским узлам 11, 12, …, 14, передаются на разных длинах волн λ₁₁, λ₁₂, …, λ_1N перестраиваемого лазера передатчика Т центрального узла 3. Приемники R абонентских узлов 11, …, 14 в этом случае снабжаются избирательными фильтрами, настроенными на длины волн λ₁₁, λ₁₂, …, λ_1N, соответственно. Во втором потоке передача от абонентских узлов 11, 12, …, 14 к приемнику R центрального узла 3 ведется на одной длине волны λ₂ методом синхронного доступа с разделением во времени TDMA.

Заявленная сеть, несмотря на шинную архитектуру, может рассматриваться как вариант PON-сети. То есть она полностью совместима с аппаратными и программными продуктами, выпускаемыми промышленностью для PON-технологии.

С другой стороны, изобретение имеет преимущество перед известными PON-сетями с древовидной архитектурой в экономии оптического волокна, простоте мониторинга при эксплуатации сети и доступности (защите графика). Следовательно, промышленное применение изобретения будет экономически обоснованной альтернативой известным сетям.

Использованные источники

1. Патент US 4089584, кл.385-24.

2. Заявка РСТ WO 83/03327, Н04В 9/00, опубл. 1983 г.

3. Патент RU 2 264692, Н04В 10/12, опубл. 2005 г.

4. Фриман Р. Волоконно-оптические системы связи. 2-е дополненное изд. Пер. с англ./Под ред. Н.Н.Слепова. - М.: Техносфера, 2004 г.

5. Унгер X.-Г. Планарные и волоконные оптические волноводы./ Пер. с англ. В.В.Шевченко. - М.: Мир, 1980 г.

6. Телекоммуникационные системы и сети: Учебное пособие в 3 т. Том 3. - Мультисервисные сети./Под ред.проф. В.П.Шувалова. - М.: Горячая линия - Телеком, 2005 г.

7. Патент US 4834481, G02B 6/28, 1989 г.

Изобретение относится к технике оптической связи. Технический результат состоит в увеличении количества абонентских узлов в сетях при одновременном снижении требований к динамическому диапазону используемых приемников. Для этого двойная пассивная волоконно-оптическая сеть содержит первую и вторую двунаправленные шины из оптического волокна, первый и второй центральные управляющие узлы (контроллеры), множество абонентских узлов первой сети и множество абонентских узлов второй сети, направленные ответвители первой шины и направленные ответвители второй шины. Передатчики первого и второго контроллеров оптически связаны со второй шиной через ее концы. Приемники первого и второго контроллеров оптически связаны с первой шиной через ее концы. Передатчики абонентских узлов оптически связаны с первой шиной через соответствующие направленные ответвители, а преемники - со второй шиной через направленные ответвители. Передача первой сети ведется на длине волны λ₁, а во второй - на длине волны λ₂ (λ₁≠λ₁). Направленные ответвители каждой из шин в порядке их размещения в шинах от одного контроллера к другому контроллеру выполнены с возрастанием коэффициентов ответвителя на длине волны λ₁ передачи в первой сети и с убавлением коэффициентов ответвителя на длине волны λ₂ передачи во второй сети. 2 з.п. ф-лы, 4 ил., 2 табл.

1. Двойная пассивная волоконно-оптическая сеть, содержащая первую и вторую сети с первым и вторым центральными управляющими узлами (контроллерами) соответственно и множествами абонентских узлов, первую и вторую двунаправленные шины из оптического волокна и множество направленных ответвителей, включенных в первую и вторую шины, первый и второй центральные управляющие узлы размещены на противоположных концах шин, передатчики центральных управляющих узлов оптически связаны со второй шиной, а приемники - с первой шиной через упомянутые противоположные концы шин, передатчики абонентских узлов первой и второй сетей оптически связаны с первой шиной через направленные ответвители первой шины с возможностью передачи в направлении первого и второго центральных управляющих узлов соответственно, приемники абонентских узлов первой и второй сетей оптически связаны со второй шиной через направленные ответвители второй шины с возможностью приема передачи от первого и второго центральных управляющих узлов соответственно, в первой двунаправленной шине длины волн передач абонентскими узлами первой сети отличны от длин волн передач абонентскими узлами второй сети, во второй двунаправленной шине длина волны передачи первого центрального управляющего узла отлична от длины волны передачи второго центрального управляющего узла, отличающаяся тем, что направленные ответвители каждой из двунаправленных шин в порядке их размещения в шинах от первого центрального управляющего узла ко второму выполнены с возрастанием коэффициентов ответвления на упомянутых длинах волн передач в первой сети и с убыванием коэффициентов ответвления на длинах волн передач во второй сети.

2. Сеть по п.1, отличающаяся тем, что направленные ответвители выполнены с коэффициентами ответвления α_i(λ₁) на длине волны λ₁ передачи в первой сети и α_i(λ₂) на длине волны λ₂ передачи во второй сети согласно следующим рекуррентным формулам:


α_N(λ₁)=α₁(λ₂)=1,
где i - порядковый номер ответвителя в первой и второй шинах; N - число ответвителей в каждой шине сети; δ_i - суммарные потери (дБ) на участке шины между (i-1)-м и i-м ответвителями шины, включая избыточные потери ответвителя.

3. Сеть по п.1, отличающаяся тем, что приемник каждого узла содержит избирательный фильтр на принимаемую длину волны.