Проектирование оптических цифровых телекоммуникационных систем

Министерство науки и высшего образования  
Российской Федерации  

Томский государственный университет 
систем управления и радиоэлектроники 
 
 
 
 

 

 

 

А.С. Перин, С.Н. Шарангович  

 

 

ППРРООЕЕККТТИИРРООВВААННИИЕЕ  ООППТТИИЧЧЕЕССККИИХХ  ЦЦИИФ
ФРРООВВЫ
ЫХХ  

ТТЕЕЛЛЕЕККООМ
ММ
МУУННИИККААЦЦИИООННННЫ
ЫХХ  ССИИССТТЕЕМ
М  
 

 

 

Учебное пособие   

  

 

 

 

 

 

 

 

Томск  
Издательство ТУСУРа 
2019

УДК 621.391.1.519.8(075.8) 
ББК 32.88-01я73 
 
П274 
 
 
 
Рецензенты: 
Коханенко А.П., д-р физ.-мат. наук, профессор; 
Тихомиров А.А., д-р техн. наук, профессор 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Перин, Антон Сергеевич 
П274 
Проектирование оптических цифровых телекоммуникационных систем: учеб. пособие / А.С. Перин, С.Н. Шарангович. – Томск: 
Изд-во Томск. гос. ун-та систем управления и радиоэлектроники, 
2019. – 114 с. 
ISBN 978-5-86889-838-9 
Приведены основные теоретические материалы по проектированию цифровых волоконно-оптических систем передачи. Рассмотрены  общие принципы 
построения и выбора компонентов многоволновых оптических сетей связи, дан 
расчет длин регенерационных и усилительных участков, показателей надежности, рассмотрены схемы организации связи, изложены вопросы тестирования 
компонентов  и оценки  их характеристик.  Представлены  методические рекомендации и примеры решения задач проектирования.    
Для студентов всех форм обучения по направлению подготовки бакалавров 11.03.02  «Инфокоммуникационные технологии и системы связи», профиль 
«Оптические системы и сети связи». 
УДК 621.391.1.519.8(075.8) 
ББК  32.88-01я73 
  
 
 
 
 
ISBN 978-5-86889-838-9 
© Перин А.С., Шарангович С.Н., 2019 
© Томск. гос. ун-т систем упр.  
   и радиоэлектроники, 2019

 
– 3 –

Оглавление 
 
Введение ..................................................................................................... 5 
1 ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ СОВРЕМЕННЫХ 
ОПТИЧЕСКИХ СЕТЕЙ СВЯЗИ ........................................................... 6 
2 ОПТИЧЕСКИЕ КОМПОНЕНТЫ СОВРЕМЕННЫХ 
ОПТИЧЕСКИХ СЕТЕЙ СВЯЗИ ......................................................... 12 
2.1 Требование к компонентам  оптических систем ....................... 12 
2.2 Мультиплексоры и демультиплексоры ....................................... 13 
2.3 Оптические мультиплексоры  ввода/вывода каналов .............. 16 
2.4 Оптические усилители .................................................................... 17 
2.5 Передатчики ...................................................................................... 26 
2.6 Фотоприемники ................................................................................ 28 
2.7 Оптическое волокно ........................................................................ 29 
3 РАСЧЕТ ДЛИНЫ РЕГЕНЕРАЦИОННОГО 
И УСИЛИТЕЛЬНЫХ УЧАСТКОВ .................................................... 32 
3.1 Определение необходимого качества передачи  
системы связи .......................................................................................... 32 
3.2 Определение максимальной длины усилительного 
участка ....................................................................................................... 34 
3.3 Определение максимальной длины регенерационного 
участка ....................................................................................................... 37 
4 СХЕМА ОРГАНИЗАЦИИ СВЯЗИ ...................................................... 41 
4.1 Составление схемы организации связи ....................................... 41 
4.2 Выбор аппаратуры ВОСП СЦИ и типа оптического 
кабеля ........................................................................................................ 42 
4.3 Определение оптических интерфейсов (стыков)  
на основе рекомендаций МСЭ-Т ......................................................... 57 
4.4 Выбор и описание вариантов проектирования участков 
транспортной сети .................................................................................. 61 
4.5 Проектирование участка  транспортной сети  
Москва – Чебоксары .............................................................................. 65 
4.5.1 Проектирование прямого направления  
(Москва – Чебоксары) .................................................................. 65 
4.5.2 Проектирование обратного направления 
(Чебоксары – Москва) .................................................................. 74 
4.6 Определение помехозащищенности спроектированного 
участка транспортной сети ................................................................... 80 
5 РАСЧЕТ ПОКАЗАТЕЛЕЙ НАДЕЖНОСТИ ..................................... 83 
5.1 Общие положения ............................................................................ 83 

 
– 4 –

5.2 Основные показатели надежности ................................................ 85 
5.3 Требования к показателям надежности ВОЛС .......................... 86 
5.4 Оценка надежности участка первичной магистральной 
сети ............................................................................................................. 88 
5.4.1 Оценка надежности работы  линейно-кабельных 
сооружений .................................................................................... 88 
5.4.2 Оценка надежности работы аппаратуры ............................ 90 
5.4.3 Оценка работы надежности участка сети с учетом 
линейных сооружений и аппаратуры .......................................... 93 
6 ТЕСТИРОВАНИЕ КОМПОНЕНТОВ И ОЦЕНКА 
ХАРАКТЕРИСТИК ................................................................................ 95 
6.1 Общие положения ............................................................................. 95 
6.2 Оптические источники и приемники для тестирования .......... 96 
6.3  Измерители мощности излучения ................................................ 98 
6.4  Анализаторы оптического спектра .............................................. 99 
6.5 Измерители длины волны ............................................................. 101 
6.6 Тестирование мультиплексоров и демультиплексоров .......... 102 
6.7 Тестирование оптических источников и приемников ............ 106 
Литература .............................................................................................. 108 
Список сокращений .............................................................................. 110 
Приложение А Пример технического задания  
на курсовое проектирование ............................................................... 111 
 

 
– 5 –

Введение 
 
Дисциплина «Оптические цифровые телекоммуникационные 
системы» изучается студентами, обучающимися по направлению 
подготовки бакалавров 11.03.02 «Инфокоммуникационные технологии и системы связи», профиль «Оптические системы и сети 
связи», в 6, 7, 8-м семестрах. В рамках лекционного курса осваивается теоретический материал [1–5], приобретаются навыки 
практических расчетов, выполняются лабораторный практикум и 
курсовой проект.  
Данное учебное пособие является частью учебно-методиче- 
ского комплекса и предназначено для подготовки и проведения 
занятий по курсовому проектированию. В пособии содержится 
необходимый теоретический материал, методические рекомендации и примеры выполнения заданий курсового проекта.  
Пособие состоит из шести разделов. Первый и второй разделы посвящены описанию общих принципов построения и компонентов оптических цифровых телекоммуникационных систем 
(ОЦТС). В третьем разделе рассматриваются регенерационные и 
усилительные участки ОЦТС. В четвертом обосновывается выбор 
схемы организации связи. В пятом и шестом разделах приведены 
оценки надежности и рассмотрено тестирование компонентов волоконно-оптических систем передачи (ВОСП). 
Список литературы включает источники, рекомендуемые для 
самостоятельного и более углубленного изучения вопросов, выносимых на практические занятия [1–7], а также нормативные 
документы [8–15].  
При подготовке пособия использовались учебно-методиче- 
ские материалы по проектированию волоконно-оптических систем передачи со спектральным разделением, предоставленные 
доцентом каф. МЭС Московского технического университета 
связи и информатики Шарафутдиновым Р.М., а также методики 
составления схем организации связи [1].   
 

 
– 6 –

1 ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ  
СОВРЕМЕННЫХ ОПТИЧЕСКИХ СЕТЕЙ СВЯЗИ  

 
В настоящее время волоконно-оптические коммуникации используются в сетях практически всех масштабов: корпоративных 
сетях, сетях доступа, городских, региональных сетях, междугородних линиях связи, трансконтинентальных линиях связи. И чем 
больше протяженность и выше скорость передачи, тем более заметны преимущества технологии волоконно-оптических линий 
связи (ВОЛС) по сравнению с другими. Рост скорости передачи в 
протяженных линиях связи показывает, что альтернативы волокну нет. Мы наблюдаем соревнование существующей волоконнооптической технологии с новой, более совершенной волоконнооптической технологией. При строительстве протяженных ВОЛС 
волокно осталось один на один с самим собой.  

Применение эрбиевых усилителей открыло новую эру 
ВОЛС. Стала возможной безрегенерационная передача на расстояния до 1000 км и более [7]. В настоящее время можно утверждать, что решения на основе EDFA проверены практикой, надежны, сравнительно недороги, достаточно эффективны и не 
имеют лучших альтернатив при строительстве протяженных 
ВОЛС с расстоянием между усилителями 60–120 км. 

Системы с многомодовыми волокнами MMF долгое время 
составляли основу протяженных ВОЛС – градиентное многомодовое волокно (волокно G.651), светодиоды на основе арсенида 
галлия, излучающие на длине волны 850 нм. Поскольку потери в 
волокне на этой длине волны были более чем существенны 
(3 дБ/км), линии связи строились с большим числом близко расположенных друг к другу регенераторов. Такие оптические магистрали были наземными, а для межконтинентальной связи все 
еще использовались подводные коаксиальные кабели. 
С появлением одномодового волокна (которое сегодня известно как стандартное одномодовое волокно, SSF или волокно 
G.652) стало ясно, что значительно перспективней вести передачу на длине волны 1300 нм – меньше потери и дисперсия. Использование одномодового волокна позволяет передавать оптические сигналы с большей скоростью и на бóльшие расстояния. 
Сначала было сложно реализовать на практике преимущество но

 
– 7 –

вого типа волокна. Но улучшение технологий сварки одномодового волокна, серийное производство лазеров на длине волны 
1300 нм и развитие технологии производства одномодового волокна способствовали быстрому устареванию систем протяженных магистралей на основе многомодового волокна. 
Минимальные значения потерь в стандартном одномодовом 
волокне 0,2–0,25 дБ/км достигаются на длине волны, близкой к 
1550 нм. Минимальная хроматическая дисперсия в окрестности 
нуля достигается на длине волны 1310 нм. Чтобы обеспечить высокую скорость передачи на большие расстояния, необходимо 
свести к минимуму потери и дисперсию, причем на одной и той 
же длине волны. Прямолинейным ответом было создание волокна со смещенной дисперсией (DSF, волокно G.653). Это волокно, 
имеющее нулевую дисперсию в окрестности длины волны 
1550 нм, обещало быть очень привлекательным для одноканальной передачи. Однако две появившиеся впоследствии технологии – DWDM и EDFA – показали несостоятельность волокна 
DSF: четырехволновое смешение, эффект появления дополнительных паразитных сигналов на частотах, являющихся комбинацией рабочих частот, которые также усиливаются, проходя через 
каскады усилителей EDFA. Этот эффект становится заметным 
при многоволновой передаче. 
В технологии WDM нет многих ограничений и технологических трудностей, свойственных TDM. Для повышения пропускной способности вместо увеличения скорости передачи в едином 
составном канале, как это реализовано в технологии TDM, в технологии WDM увеличивают число каналов (длин волн), применяемых в системах передачи (рисунок 1.1). Рост пропускной способности при использовании технологии WDM осуществляется 
без дорогостоящей замены оптического кабеля.    
Применение технологии WDM позволяет сдавать в аренду не 
только оптические кабели или волокна, но и отдельные длины 
волн, то есть реализовать концепцию «виртуального волокна». 
По одному волокну на разных длинах волн можно одновременно 
передавать самые разные приложения – кабельное телевидение, 
телефонию, трафик Интернет, «видео по требованию» и т.д. Как 
следствие этого, часть волокон в оптическом кабеле можно использовать для резерва. 

 

  
Рисунок 1.1 – Обобщенная схема оптической системы передач 

 
– 9 –

Применение технологии WDM позволяет исключить допол-
нительную прокладку оптических кабелей в существующей сети. 
Даже если в будущем стоимость волокна уменьшится за счет использования новых технологий, волоконно-оптическая инфраструктура (проложенное волокно и установленное оборудование) 
всегда будет стоить достаточно дорого. Для ее эффективного использования необходимо иметь возможность в течение долгого 
времени увеличивать пропускную способность сети и менять набор предоставляемых услуг без замены оптического кабеля. Технология WDM предоставляет именно такую возможность. 
Технология WDM пока применяется в основном на линиях 
связи большой протяженности, где требуется широкая полоса 
пропускания. Сети городского и регионального масштаба и системы кабельного телевидения потенциально также являются 
рынком для технологии WDM. Необходимость эффективно  
использовать проложенный кабель привела к значительному  
увеличению числа каналов, передаваемых по одному волокну, 
и уменьшению расстояния между ними.  
Теоретически возможна передача в любом диапазоне длин 
волн, однако практические ограничения оставляют для использования в системах WDM узкий диапазон в окрестности длины 
волны 1550 нм. Но даже этот диапазон предоставляет огромные 
возможности для передачи данных. Многочисленные преимущества систем DWDM отражаются на их цене. Во-первых, становятся исключительно важными многие свойства оптических  
компонентов и характеристики оптического кабеля. Во-вторых, 
требования к архитектуре сети и выбору компонентов систем 
WDM являются более жесткими, чем, например, для систем TDM 
уровня STM-16. 
Совместное применение технологий TDM и WDM позволяет 
значительно расширить спектр предоставляемых услуг, оставляя 
практически без изменений большую часть имеющегося оборудования. 
Главным отличием систем WDM от систем TDM является то, 
что в системе WDM передача ведется на нескольких длинах волн. 
Система WDM в общем случае состоит из одного или нескольких 
лазерных передатчиков, мультиплексора, одного или нескольких 

 
– 10 –

усилителей EDFA, мультиплексоров ввода/вывода, оптического 
волокна (кабеля), демультиплексора и соответствующего числа 
фотоприемников, а также электронного оборудования, которое 
обрабатывает передаваемые данные в соответствии с используемыми протоколами связи, и системы сетевого управления [7]. 
Для того чтобы компоненты систем WDM были взаимозаменяемы и могли взаимодействовать между собой, необходимо использовать стандартный набор частот генерации лазеров. Всеми 
вопросами, связанными со стандартизацией систем WDM, занимается международный орган стандартизации – сектор стандартизации телекоммуникаций Международного союза электросвязи 
ITU-T (International Telecommunications Union, ITU) в рамках исследовательской группы SG15 по транспортным сетям, системам 
и оборудованию (Study Group 15 on Transport Networks, Systems 
and Equipment). Спецификация ITU-T G.692 по оптическим интерфейсам для многоканальных систем с оптическими усилителями определяет стандартный набор частот – частотный план 
систем WDM. 
В зависимости от используемого канального плана в системах волнового уплотнения принято выделять три типа мультиплексоров: 
 WDM – мультиплексирование с разделением по длине 
волны; 
 DWDM – плотное мультиплексирование с разделением по 
длине волны; 
 HDWDM – высокоплотное мультиплексирование с разделением по длине волны. 
Для каждого типа мультиплексоров характерны свои особенности. 
 Системы WDM – системы с шагом (разносом) каналов по 
частоте  200 ГГц, позволяющие мультиплексирование не более 
16 каналов. 
 Системы DWDM – системы с шагом (разносом) каналов 
по частоте, равным 100 ГГц, позволяющие мультиплексирование 
не более 64 каналов. 

 
– 11 –

 системы НDWDM – системы с шагом (разносом) каналов 
по частоте  50 ГГц, позволяющие мультиплексирование  более 
64 каналов. 
Появление современной технологии WDM, как и любой  
новой технологии, одновременно со значительными преимуществами принесло и новые проблемы. Основной проблемой для операторов систем WDM является обеспечение их надежной и стабильной работы. Очень важным становится контроль качества 
оптических характеристик и поведения системы, начиная от производства компонентов и завершая этапом системной интеграции. Такой контроль гарантирует ввод современной системы оптической связи в эксплуатацию с расчетными параметрами и 
длительную и устойчивую ее работу. 
Несмотря на все сложности, встречающиеся на пути проектирования и построения современных систем связи (например, 
систем волнового уплотнения), их применение экономически оправдано, и, по мнению многих специалистов, именно по этому 
направлению будет увеличиваться пропускная способность сетей 
связи.   
 

 
– 12 –

2 ОПТИЧЕСКИЕ КОМПОНЕНТЫ СОВРЕМЕННЫХ 
ОПТИЧЕСКИХ СЕТЕЙ СВЯЗИ  

 
2.1 Требование к компонентам  
оптических систем 
 
Основное требование к компонентам современных оптических сетей связи состоит в том, что они должны одинаково обрабатывать все каналы на всем протяжении оптического пути линии связи. Для этого требуется тщательный выбор оптических 
передатчиков, мультиплексоров, демультиплексоров, усилителей 
и волокна. Все оптические характеристики пассивных и активных 
компонентов сети – вносимые потери, потери на отражение, дисперсия, поляризационные эффекты и т.д., должны измеряться как 
функции длины волны во всем диапазоне длин волн, используемом для передачи в системе связи. В системах WDM часто используют значительно более сложные устройства, чем в системах 
с одной рабочей длиной волны, и проводить тестирование характеристик таких устройств намного сложнее. В мультиплексорах, 
демультиплексорах, узкополосных фильтрах систем DWDM  
используются тонкопленочные фильтры, сварные биконические 
разветвители BFT (Fused Biconic Ta-pered Coupler), решетки на 
основе массива волноводов AWG (Array Waveguide Grating), волоконные брэгговские и обычные дифракционные решетки [7]. 
Необходимо исследовать влияние активных компонентов (в особенности оптических усилителей) и взаимной интерференции каналов на целостность передаваемых сигналов для минимизации 
потенциальной возможности их неблагоприятного воздействия. 
Несмотря на то что все материалы и компоненты при производстве тестируются на соответствие стандартам, возможно 
ухудшение их характеристик при непосредственной установке в 
полевых условиях. При объединении отдельных компонентов в 
единую систему небольшие различия их характеристик могут накапливаться и непредсказуемым образом влиять на параметры 
сети в целом. Для обеспечения гарантированной надежности сети 
необходимо выполнять тестирование не только каждого компо