Дослідження завад в транспортних DWDM мережах

ОДЕСЬКА НАЦІОНАЛЬНА  АКАДЕМІЯ ЗВ’ЯЗКУ ім. О.С.  ПОПОВА

 

 

 

 

 

РОМАНЧУК ВАСИЛЬ ІВАНОВИЧ

 

 

УДК 621.391.6:535.581

 

 

 

 

ДОСЛІДЖЕННЯ ЗАВАД  В 

ТРАНСПОРТНИХ DWDM МЕРЕЖАХ

 

 

 

05.12.02 – телекомунікаційні  системи та мережі

 

 

 

 

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних  наук

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Одеса – 2007

Дисертацією є рукопис

 

Робота виконана у Національному університеті “Львівська політехніка”

Міністерства освіти і науки України

 

Науковий керівник:       доктор технічних наук, доцент

Климаш Михайло Миколайович, Національний університет “Львівська політехніка”, заступник завідувача кафедри телекомунікацій

 

Офіційні опоненти:        доктор технічних наук, доцент

Лісовий Іван Павлович, Одеська національна академія зв’язку ім. О.С. Попова, професор кафедри телекомунікаційних систем

 

кандидат технічних  наук, доцент

Бессараб Володимир  Іванович, Донецький Національний технічний університет, завідуючий кафедри автоматики і телекомунікацій

 

 

Захист дисертації відбудеться 24 січня 2008 р. о 10.00 год. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 41.816.02 в Одеській національній академії зв’язку ім. О.С. Попова за адресою: 65029, м. Одеса, вул. Ковальська, 1.

 

З дисертацією можна  ознайомитись у науковій бібліотеці Одеської національної академії зв’язку  ім. О.С. Попова за адресою: 65029, м. Одеса,  
вул. Ковальська, 1.

 

Автореферат розісланий 18 грудня 2007 р.

 

 

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради 

к.т.н., доцент                         А.Г. Ложковський

 

 

 

 

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

 

Актуальність теми. В сучасних телекомунікаційних системах основні функціональні властивості фізичного рівня моделі ISO/OSI транспортних DWDM мереж, такі як: підсилення, крос-з’єднання, комутація, контроль і діагностика забезпечуються за допомогою опто-електронних перетворень в кожному вузлі мережі. Розвиток мереж приводить до введення нових вузлів і компонентів мережі та виникнення явищ, які не завжди можливо передбачити та врахувати в процесі проектування, тому важливо розвинути методи моделювання для удосконалення проектування та підвищення якості результуючих технічних рішень, що забезпечують конфігурування структури мережі та її адаптацію до змін навантаження. Різні вимоги клієнтів до смуги пропускання роблять опто-електронне перетворення небажаним до застосування та нерентабельним. В повністю оптичних мережах використовуються оптичні компоненти, що дозволяють зменшити вартість і забезпечити високу гнучкість при об’єднанні різних типів даних. Інша характеристика транспортних мереж – це присутність тисяч кілометрів вже прокладеного оптичного волокна, яке може містити як старі, так і нові оптичні сегменти. Робота зі старими волокнами призводить до збільшення дисперсії, нелінійних явищ, перехресних завад та збільшення затухання у волокні, що зумовлює застосування додаткових оптичних компонентів.

В даний час існує ряд програмних пакетів для моделювання DWDM мереж, всі вони забезпечують можливість дослідження роботи фізичного рівня транспортних DWDM мереж для топології “точка-точка” та використовують відомі частотно-часові методи. Однак час обчислень, який необхідний для моделювання оптичних мереж робить ці методи непрактичними у багатьох випадках. DWDM тракти на вітчизняних мережах реалізуються часто на основі вже прокладених оптичних волокон, шляхом встановлення апаратних слотів, розрахованих на лінійку канальних частот багатоканальних систем передавання замість або разом із слотами систем старших поколінь ієрархії DWDM, що, по-перше, обумовлює концентрацію відносно високих потужностей оптичного випромінювання у вузьких смугах спектрального діапазону тракту, а по-друге, поряд із високими потужностями утворюється складна спектральна картина, яка підкреслює необхідність врахування розсіювань енергії у спектрах систем передавання та міжканальні впливи.

У створені і розвитку транспортних оптичних мереж істотний внесок внесли вчені: Каток В.Б., Стеклов В.К., Дианов Е.М., Убайдуллаев Р.Р., Скляров О.К., Семенов А.Б., Roger L.Freman, Stamatios V. Kartalopoulos.

Таким чином, однією з основних проблем повністю оптичних транспортних мереж є накопичення завад, відповідно дослідження впливу завад є актуальним як у теоретичному, так і у практичному аспектах. Враховуючи актуальність даної тематики, доцільним є комплексне дослідження елементної структури мережі, тобто множини елементів транспортної системи, сконфігурованих для утворення наскрізного оптичного каналу передавання інформації в транспортних мережах зі спектральним ущільненням.

Метою роботи є підвищення пропускної здатності транспортних DWDM мереж шляхом зменшення завад і покращення параметрів мережі.

Об’єкт дослідження: транспортні DWDM мережі.

Предмет дослідження: завади та елементна структура транспортних DWDM мереж.

Поставлені у роботі задачі:

1. Удосконалити метод розрахунку впливу завад фізичного рівня (шуми підсилювача, паразитна дисперсія, міжканальні перехресні завади, нелінійні явища і поляризаційні ефекти) на співвідношення Р_с/Р_ш в транспортних DWDM мережах, що дозволить визначити компоненти та нелінійні явища, які найбільше погіршують відношення сигнал/шум в кожному спектральному каналі.
2. Розробити модель завад в транспортній DWDM мережі, яка забезпечить можливість дослідити залежність відношення Р_с/Р_ш від параметрів та елементної структури мережі.
3. Розробити методику зменшення коефіцієнта помилок шляхом зменшення завад, тобто визначення найкращих параметрів та елементної структури транспортної DWDM мережі.
4. Дослідити залежність відношення Р_с/Р_ш від способу об’єднання кільцевих структур DWDM мереж і проаналізувати параметри та конфігурацію обладнання.

Методи досліджень. В дисертаційних дослідженнях були застосовані теорія систем зв’язку, методи математичної статистики та теорії ймовірності, прикладної фізичної оптики, методи багатократного перебору та імітаційного моделювання.

Наукова новизна  отриманих результатів. У ході виконання дисертаційної роботи отримано наступні нові наукові результати:

1. Розроблено методику зменшення коефіцієнта помилок у транспортній DWDM мережі на основі поканального визначення найкращих параметрів та конфігурації компонентів.
2. Удосконалено метод розрахунку відношення Р_с/Р_ш, який дозволяє достовірно визначити відношення Р_с/Р_ш в транспортних DWDM мережах шляхом врахування впливу перехресних завад, які можуть виникнути внаслідок нелінійних явищ.
3. Вперше досліджено залежність відношення Р_с/Р_ш від способу об’єднання кільцевих структур транспортних DWDM мереж.
4. Запропоновано модель завад DWDM тракту оптичної мережі, яка дозволяє досліджувати відношення Р_с/Р_ш для різних елементних структур та їх параметрів.

Практичне значення одержаних результатів полягає в наступному:

1. Розроблено методику визначення оптимальної структури, яка забезпечує підвищення відношення Р_с/Р_ш в тракті на 8-12 дБп в залежності від структури тракту, дана методика використовується для вибору найкращої конфігурації обладнання, як частина комплексної системи автоматичного проектування транспортних DWDM мереж, а також в навчальному процесі для отримання теоретичних знань та практичних навиків у дослідженнях, що пов’язані з впровадженням повністю оптичних мереж.
2. Результати роботи можуть бути використані для проектування оптичних транспортних мереж, підвищення співвідношення Р_с/Р_ш в DWDM тракті, що в свою чергу дозволить збільшити довжину регенераційної ділянки і пропускну здатність мережі, оцінити максимально можливі значення Р_с/Р_ш для кожного частотного каналу та визначити коефіцієнт помилок систем передавання на основі вибраного обладнання, а також визначити потенційні можливості і обмеження вже прокладених оптичних лінійних трактів стосовно максимальної швидкості передавання і довжини регенераційної ділянки.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Тема дисертаційної роботи відповідає науково-технічному напрямку ВАТ «Укртелеком», а також науковим планам кафедри «Телекомунікації» Національного університету «Львівська політехніка». Результати досліджень увійшли до складу науково-технічних звітів та впроваджені замовниками: госпдоговірної НДР “Дослідження та оптимізація міських транспортних інфокомунікаційних мереж”, (2007 р.), номер держ. реєстрації № 0107U000822; госпдоговірної НДР “Дослідження і оптимізація структури і топології інфокомунікаційних систем і мереж” (ДБ/Структура), (2006 – 2007 рр.), номер держ. реєстрації № 0106U009587; госпдоговірної НДР “Основні принципи функціонування DWDM-систем: пропускна здатність і міжканальні завади. Розробка імітаційної моделі DWDM-оптичного лінійного тракту”, (2005 –2006 рр.), номер держ. реєстрації № 0107U001127, а також впроваджені у навчальний процес кафедри «Телекомунікації» НУ «Львівська політехніка» для підготовки фахівців з напрямку «Телекомунікації» і спеціальностей «Інформаційні мережі зв’язку» та «Телекомунікаційні системи та мережі».

Результати наукових досліджень впроваджені у відділі  планування та розвитку мереж Львівської філії ВАТ «Укртелеком» та Центрі технічної експлуатації №6 Дирекції первинної мережі ВАТ “Укртелеком”.

Особистий внесок здобувача. Результати наукових, теоретичних і практичних досліджень, викладені в дисертації, одержані автором особисто: [10, 11, 14] – вдосконалений метод розрахунку Р_с/Р_ш в транспортних повністю оптичних DWDM мережах, розроблена модель DWDM тракту, наведені результати моделювання, методика структурної та параметричної оптимізації. У працях, опублікованих у співавторстві, аспірантові належать: методика розрахунку навантаження цифрових лінійних трактів між вузлами транспортних мереж [1]; аналіз методів резервування синхронних транспортних мережних трактів [2]; вдосконалений метод розрахунку перехресних міжканальних завад в транспортних телекомунікаційних системах [3]; аналіз моделей перехресних завад в мережах зі спектральним ущільненням каналів [4]; запропонована модель швидкісної комутації [5]; аналіз методів та конфігурації систем захисту в синхронних оптичних транспортних мережах [6]; метод розрахунку навантаження в синхронних мережах [7]; дослідження ефективності використання різних видів трафіку в транспортних мережах [8]; результати дослідження ефективності використання ємності каналів транспортної мережі для різних видів трафіку [9]; методика оптимізації потоків у мережах з кільцевою топологією [12]; модель та результати моделювання параметрів мультихвилевих оптичних мереж [13].

Апробація результатів  дисертації. Основні результати роботи доповідались на наступних конференціях: «Advanced Optoelectronics and Lasers» – CAOL-2003, «Laser and Fiber-Optical Networks Modelling» – LFNM-2003 (м.  Алушта, 2003 р.); VIІ Международная научно-практическая конференция “Системы и средства передачи и обработки информации” ССПОИ-2003. – Одесса, Украина; Міжнародна конференція "Сучасні проблеми радіоелектроніки,   телекомунікацій   і комп'ютерної  інженерії – TCSET-2004"

(Львiв-Славсько, 24-28 лютого 2004 р.); VIII Международная научно-практическая конференция «Системы и средства передачи и обработки информации». – Одеcса, 2004; Міжнародна науково-технічна конференція «Сучасні проблеми радіоелектроніки, телекомунікацій та комп’ютерної інженерії» TCSET-2006. Львів-Славсько, Україна, 28 лютого – 4 березня 2006 року.

Публікації. Всі наукові положення і висновки дисертаційної роботи опубліковано повністю у 14 наукових працях, з них 9 – в статтях у провідних виданнях, згідно переліку, що затверджений ВАК України, 5 – в матеріалах міжнародних та національних наукових конференцій.

Структура та обсяг роботи. Робота складається із вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел та додатків. Загальний обсяг роботи складає 171 сторінок друкарського тексту: 60 рисунків, 9 таблиць, список використаних джерел зі 114 найменувань, 4 додатки.

 

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ  ДИСЕРТАЦІЙНОЇ РОБОТИ

 

У вступі обґрунтовано необхідність розробки нових математичних моделей та методик оптимізації транспортних DWDM мереж. Вказано на зв’язок роботи з науковими програмами, сформовано мету і задачі дослідження, наукову новизну і практичне значення отриманих результатів. Подано дані про особистий внесок здобувача, апробацію результатів роботи та публікації.

В першому розділі – «Транспортні мережі на основі технології DWDM» – проведено системний огляд стану проблеми, розглянуто особливості будови і функціонування оптичних транспортних мереж, обмеження, критичні параметри та загальні вимоги до систем передавання зі спектральним розділенням каналів. Проведено аналіз шумових характеристик компонентів транспортних DWDM мереж, параметрів, які обмежують пропускну здатність каналів зв’язку, нелінійних явищ і їх вплив на відношення Р_с/Р_ш. Особливу увагу приділено методам оцінки перехресних завад в транспортних DWDM мережах, впливу перехресних завад на відношення Р_с/Р_ш в кожному спектральному каналі. Розглянуто математичні моделі завад в транспортних DWDM мережах, проаналізовано існуючі підходи математичного представлення мереж зі спектральним розділенням каналів.

Проведений огляд показав, що методи аналізу транспортних DWDM мереж, які засновані на частотно-часовому представленні сигналу, ефективно використовуються для топології точка-точка, а для інших топологій використовувати даний підхід недоцільно. Класичний підхід, заснований на енергетичному бюджеті волоконно-оптичних систем передачі з спектральним розділенням, не дозволяє визначити відношення Р_с/Р_ш. Тому при розрахунку транспортних DWDM мереж за класичним підходом Р_с/Р_ш необхідно розраховувати додатково. Існуючі методи розрахунку відношення Р_с/Р_ш в транспортних DWDM мережах не дозволяють провести розрахунки для кожного спектрального каналу з достовірним врахуванням впливу нелінійних явищ і перехресних завад. Тому існує необхідність в розробці нових та вдосконаленні існуючих методів розрахунку відношення Р_с/Р_ш для таких мереж.

Другий розділ – «Модель завад транспортної DWDM мережі» – присвячено питанню побудови математичної моделі завад в транспортних DWDM мережах, яка дозволяє досліджувати відношення Р_с/Р_ш в транспортній DWDM мережі для різних параметрів і конфігурації мережі.

Можливості експериментальних  досліджень на транспортних DWDM мережах  досить обмежені, тому важливою задачею є створення моделі завад з максимальною адекватністю і функціональною повнотою.