Високошвидкісна солітонна транспортна лінія зв’язку

НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ
«КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ
імені ІГОРЯ СІКОРСЬКОГО»
______________________________________
Факультет електроніки
_________________________________________________
(повна назва інституту/факультету)
_____________________________
Кафедра звукотехніки та реєстрації iнформацiї
______________________
(повна назва кафедри)
«На правах рукопису»
УДК ______________
«До захисту допущено»
Завідувач кафедри
_________ Г.Г.Власюк
(підпис) (ініціали, прізвище)
“___”_____________2018 р.
Магістерська дисертація
зі спеціальності (спеціалізації) 171 Електроніка.(Електронні та інформаційні
(код і назва спеціальності) технології кінематографії та аудіовізуальних систем)
____________________________________________
на тему: « Високошвидкісна солітонна транспортна лінія зв’язку».
Виконала студентка
__
_
VI
___
курсу, групи
__
ДВ-71мп
__
(шифр групи)
___________________________
Дансо Джанет Обенева
________________________________
(прізвище, ім’я, по батькові)
(підпис)
Науковий керівник професор
___
д.т.н., професор Розорінов Г.М.
(посада, науковий ступінь, вчене звання, прізвище та ініціали)
(підпис)
Консультант
______________________________ __________
(назва розділу)
(науковий ступінь, вчене звання, , прізвище, ініціали)
(підпис)
Рецензент _______________________________________________ __________
(посада, науковий ступінь, вчене звання, науковий ступінь, прізвище та ініціали)
(підпис)
Засвідчую, що у цій магістерській дисертації немає запозичень з праць
інших авторів без відповідних посилань.
Студент _____________
(підпис)
Київ – 2018 року

Національний технічний університет України
«Київський політехнічний інститут
імені Ігоря Сікорського»
Інститут (факультет)
_________________
Факультет електроніки
________________________________
(повна назва)
Кафедра
___________
Кафедра звукотехніки та реєстрації інформації
____________
(повна назва)
Рівень вищої освіти – другий (магістерський) за освітньо-професійною програмою
Спеціальність (спеціалізація)
________________
171, Електроніка
___________
(код і назва)
ЗАТВЕРДЖУЮ
Завідувач кафедри
__________ Г.Г. Власюк
(підпис) (ініціали, прізвище)
«___»_____________2018 р.
ЗАВДАННЯ
на магістерську дисертацію студенту
_________________________________
Дансо Джанет Обенева
_________________________
(прізвище, ім’я, по батькові)
1. Тема дисертації Високошвидкісна солітонна транспортна лінія зв’язку науковий керівник дисертації
__
професор
___
д.т.н., професор Розорінов Г.М.
(прізвище, ім’я, по батькові, науковий ступінь, вчене звання) затверджені наказом по університету від «07» листопада 2018р. №4114-с
2. Строк подання студентом дисертації 10.12.2018р. ___________________
3. Об’єкт дослідження
:
солітонні волоконно – оптичні системи передачі та солітонні імпульси у волоконних світловодах.
4. Предмет дослідження (Вихідні дані – для магістерської дисертації за освітньо-професійною програмою):
методи та моделі дослідження поширення солітонних імпульсів у волоконних світловодах та солітонних лінійних трактах.

5. Перелік завдань, які потрібно розробити Провести огляд основних проблем, що обмежують можливість побудови солітонних ліній зв’язку.
6. Перелік графічного (ілюстративного) матеріалу 22 риc., 22 табл., 2
дод , посилань 27джерел.
7. Орієнтовний перелік публікацій
«Особливості швидкісного солітонного транспортного зв'язку», «Перспективи солітонні лінії зв'язку та пов'язані з ними проблеми».
8. Консультанти розділів дисертації

Розділ
Прізвище, ініціали та посада консультанта
Підпис, дата завдання видав завдання прийняв
9. Дата видачі завдання
10.09.2017
_______________________________________
Календарний план
№ з/п
Назва етапів виконання магістерської дисертації
Строк виконання етапів магістерської дисертації
Примітка
Написання першого розділу: «
Розвиток та перспективи солітонних ліній зв’язку
».
10.10.2017
Написання другого розділу: «
Основи поширення солітонних імпульсів у волоконних світловодах
».
15.12.2017
Написання третього розділу:
«
Особливості побудови солітонних ліній звязку
».
01.05.2018
Написання четвертого розділу:
«
Зниження факторів впливу на пропускну спроможність солітонних волоконно –оптичних систем передачі
».
10.10.2018
Написання п’ятого розділу: «Розроблення стартап-проекту».
09.11.2018
Підготовка матеріалів до друку та оформлення пояснювальної записки
25.11.2018
Підготовка та оформлення презентації для доповіді
30.11.2018

Консультантом не може бути зазначено наукового керівника

4
РЕФЕРАТ
Mагістерська дисертація містить основну частину на 104 сторінках,22 рис.,22 табл., 2 дод. , 27 джерел.
ВОЛОКОННО – ОПТИЧНІ СИСТЕМИ ПЕРЕДАЧІ, ДЖИТЕР ГОРДОНА –
ХАУСА, ДИСПЕРСІЯ, СОЛІТОННІ ІМПУЛЬСИ, ДИСПЕРСІЙНА КАРТА, ДУ –
СОЛІТОН.
Метою роботи є теоретичне дослідження основ поширення солітонів в волоконно – оптичних лініях зв’язку, визначення основних проблем, що обмежують можливість побудови солітонних ліній зв’язку, та основних шляхів їх вирішення шляхом аналізу модельованих солітонних систем, що базується на оцінці допустимого значення джитера солітона, спричиненого ефектом Гордона – Хауса, та його впливу на пропускну здатність солітонних ВОСП з дисперсійним управлінням для різних конфігурацій лінійних трактів.
Методом дослідження є аналіз теоретичного матеріалу та принципу моделювання солітонних систем в програмі Matlab Simulink.
Результатом дослідження є створення програмної моделі 10 Гбіт/с солітонних систем з дисперсійним управлінням, які використовують дві дисперсійні карти з типовим значенням періоду, що на практиці становить L
m
=80 км, відстань поширення – 8000 км, оцінка впливу джитера Гордона – Хауса для різних конфігурацій лінійних трактів, дослідження показників посткомпенсації дисперсії для зменшення впливу джитера Гордона – Хауса.
Результати роботи можна застосовувати для вирішення задачі підвищення пропускної спроможності оптичних транспортних мереж, шляхом впровадження солітонних волоконно – оптичних систем передачі.

5
SUMMARY
This master’s dissertation consists of 101 pages, 22 tables, 22 illustrations, 2 appendices and 27 bibliographic names under the list of the references.
FIBER OPTIC TRANSMISSION SYSTEM, GORDON – HAUSE’S JITTER,
DISPERSION, SOLITON IMPULSE, DISPERSION MAP, DC – SOLITON.
The objective is to theoretical studies of the propagation of solitons in optical fiber communication lines, identifying the main problems that limit the possibility of constructing soliton communication lines, and fundamental ways to address them through the analysis of simulated soliton systems, based on an assessment of soliton jitter tolerance value caused by the effect of Gordon House, and its impact on the capacity of soliton had sung a hymn of dispersion management for various configurations of linear chains.
The method of research is the analysis of theoretical material and the principle of soliton systems simulation program in Matlab Simulink.
This investigation is a model program 10 Gbit / s soliton systems with dispersion management, which uses two dispersion maps with a typical value of the period, which in practice amounts to Lm = 80 km, the distance distribution – 8000 km, impact assessment jitter Gordon House for the different configurations linear chains, development of optimization method postkompensation variance to reduce the influence of jitter Gordon
House.
The results can be applied to solve the problem of increasing the capacity of optical transport networks, through the introduction of soliton fiber – optic transmission systems.

6
ЗМІСТ
ПЕРЕЛІК СКОРОЧЕНЬ
9
ВСТУП
11 1. Розвиток та перспективи солітонних ліній зв’язку
13 1.1 Загальний огляд проблеми
13 1.2 Підвищення швидкості передачі
15 1.3 Збільшення довжини регенераційної ділянки
16 1.4 Експериментальні солітонні волоконно – оптичні лінії зв’язку 17 1.5 Перспективи використання волоконно – оптичних кабелів для створення солітонних ліній зв’язку
21 2 Основи поширення солітонних імпульсів у волоконних світловодах
23 2.1 Нелінійні ефекти в оптичному волокні
23 2.1.1 Нелінійне заломлення
25 2.1.2 Вимушене непружне розсіювання
26 2.1.3 Параметричні процеси
27 2.2 Природа солітона
29 2.3 Паразитні ефекти, що обмежують можливість побудови солітонних ліній зв’язку
35 2.3.1 Наявність частотної модуляції в початковому імпульсі
35 2.3.2 Втрати потужності солітона в оптичному волокні
35 2.3.3 Взаємодія солітонних імпульсів
36 2.3.3.1 Стиснення солітонних імпульсів
37 3 Особливості побудови солітонних ліній звязку
39 3.1 Побудова солітонних ліній зв’язку з дисперсійним управлінням
39 3. 2 Методи визначення параметрів солітонного імпульсу
42

7 3.3 Математичні моделі солітонних ліній зв’язку
43 3.3.1 Модель солітонної волоконно – оптичної лінії зв’язку для розповсюдження фундаментального соліона
43 3.3.2 Модель солітонної волоконно – оптичної лінії зв’язку для розповсюдження ДУ солітона
44 3.4 Фактори впливу на функціонування солітонних волоконно –
оптичних систем передачі
45 3.5 Оцінка функціонування солітонних волоконно – оптичних систем передачі
47 3.6 Рівняня для оцінки джитера Гордона – Хауса в першому сегменті оптичного тракту дисперсійної карти
49 3.6.1 Рівняння для оцінки джитера Гордона – Хауса в процесі поширенні фундаментального соліона
50 3.6.2 Рівняння для оцінки джитера Гордона – Хауса в процесі поширенні ДУ солітона
50 3.7 Рівняння для оцінки джитера Гордона – Хауса наступних сегментів оптичного тракту дисперсійної карти
51 3.8 Аналіз залежності джитера Гордона – Хауса від параметрів лінійного тракту
53 4 Зниження факторів впливу на пропускну спроможність солітонних волоконно –оптичних систем передачі
59 4.1 Зниження впливу явищ Гордона – Хауса на функціонування солітонних волоконно – оптичних систем передачі
59 4.2 Загальні рекомендації із застосування результатів досліджень солітонних ВОСП з дисперсійним управлінням
65 4.3 Параметри роботи волоконно – решіткового компресора
66 4.4 Параметри роботи компресора на основі багатосолітонного стиснення
69

8 5 РОЗРОБЛЕННЯ СТАРТАП-ПРОЕКТУ
5.1 Опис ідеї проекту
5.2 Технологічний аудит ідеї проекту
5.3 Аналіз ринкових можливостей запуску стартап-проекту
5.4 Розроблення ринкової стратегії проекту
5.5 Розроблення маркетингової програми стартап-проекту
ВИСНОВКИ
72 72 74 75 82 84 88
ПЕРЕЛІК джерел посилання
90
Додаток А Лістинг програми моделювання солітонних волоконно – оптичних систем передачі
93
Додаток Б Abstract
"Methods for increasing the functionality of linear soliton chains"
96

9
ПЕРЕЛІК УМОВНІ СКОРОЧЕНЬ
ВКР
–
Вимушене комбінаційне розсіювання
ВОЛЗ
–
Волоконно – оптична лінія зв’язку
ВОСП
– Волоконно – оптична система передачі
ВПСФ
–
Вузькосмуговий перестроюваний смуговий фільтр
ВРМБ
–
Вимушене розсіювання Мендельштама – Брілюена
ДГШ
–
Дисперсія групових швидкостей
ДУ
–
Дисперсійне управління
ІКМ
–
Імпульсно – кодова модуляція
ЛЧМ
–
Лінійна частотна модуляція
НРШ
–
Нелінійне рівняння Шредингера
ОВ
–
Оптичне волокно
ООВ
–
Одномодове оптичне волокно
ОП
–
Оптичний підсилювач
ПСМ
–
Періодична синхронна модуляція
СДГШ
–
Середня дисперсія групових швидкостей
ФКМ
–
Фазова крос – модуляція
ФСМ
–
Фазова самомодуляція
ЧМ
–
Частотна модуляція
ЧХЗ
–
Чотирьоххвильове зміщення
ASE
–
Amplified Spontaneous Emission (шум спонтанного випромінювання)
BER
–
Bit error rate
DCF
–
Dispersion Compensating Fiber (волокно з компенсацією дисперсії)
DDF
–
Dispersion Decreasing fiber (волокно з аномальною дисперсією)
DSF
– Dispersion Shifted Fiber (волокно зі зміщеною дисперсією)

10
DWDM
–
Dense Wave Division Multiplexing
EDFA
–
Erbium Doped Fibre Amplifier (волоконно – оптичний підсилювач на оптичному волокні, легованому іонами ербію)
NRZ
–
Non Return to Zero (система кодування без повернення до нуля)
NZDSF
–
Non zero dispersion shifted fiber (кабель з ненульовою зміщеною дисперсією)
PDH
–
Plesiochronous Digital Hierarchy (плезіохронна цифрова
ієрархія)
PMD
–
Polarization mode dispersion (дисперсія поляризованої моди)
RZ
–
Return to Zero (система кодування з поверненням до нуля)
SDH
–
Synchronous Digital Hierarchy (синхронна цифрова
ієрархія)
TDM
–
Time Division Multiplexing
WDM
–
Wavelength Division Multiplexing (спектральне ущільнення каналів)

11
ВСТУП
Зростання інформаційної ємності сучасних телекомунікаційних мереж є причиною створення та розвитку нових волоконно – оптичних технологій, що дозволяють передавати сигнали з більш високою швидкістю на більші відстані.
Актуальність теми
Використання методу часового мультиплексування через технологічні обмеження не є універсальним рішенням проблеми збільшення пропускної здатності магістральних волоконно – оптичних систем передачі. Подолання обмежень сьогодні вирішується завдяки методу спектрального поділу оптичних каналів і лінійного режиму роботи оптичних систем передачі.
Перспективним альтернативним напрямком є розробка і впровадження методу, заснованого на використанні солітонного (нелінійного) режиму передачі даних. Цей метод перебуває в стадії теоретичних та експериментальних досліджень. Отже, наукова проблема, яка полягає в підвищенні функціональних можливостей солітонних систем передачі на основі дослідження нелінійного поширення надкоротких оптичних імпульсів у волоконних світловодах та солітонних трактах є актуальною.
Метою дослідження є виявлення особливостей роботи солітонних систем передачі, розв’язання практичних проблем з підвищення функціональних можливостей солітонних систем передачі.
Об’єктом дослідження є солітонні волоконно – оптичні системи передачі та солітонні імпульси у волоконних світловодах.
Предметом дослідження є методи та моделі дослідження поширення солітонних імпульсів у волоконних світловодах та солітонних лінійних трактах.
Наукова новизна отриманих результатів
Наукова новизна одержаних результатів полягає у тому, що:
1. Узагальнено критерії оцінки якості функціонування солітонних систем передачі.
2. Проаналізовано залежність впливу джитера Гордона – Хауса від параметрів лінійного тракту.

12 3. Обгрунтовано спосіб зменшення значення джитера, спричиненого ефектом
Гордона – Хауса.
Практичне значення отриманих результатів
Практичне значення роботи полягає в виявленні та детальному освітленні теоретичних положень з проектування солітонних ВОСП, які можуть бути використані у розрахунках для аналізу ефективності варіантів побудови лінійних трактів солітонних ВОСП.
Апробація результатів магістерської роботи
Результати досліджень опубліковані в тезах конференцій: "Зменшення показника втрат в оптичному кабелі внаслідок покращення його термостабільності",
– "Інфокомунікаційні системи та технології" 19 – 20 квітня 2010 р р. – с. 13.; "Вплив дисперсії на передачу солітонних імпульсів у волоконно – оптичних системах зв’язку", – "Перспективні напрямки сучасної електроніки" 19 – 20 квітня 2011 р. – с.
49.
Розв’язання питань подальшого розвитку наукових досліджень та практичного впровадження солітонних систем передачі неможливе без вивчення специфіки поширення надкоротких імпульсів у одномодових світловодах, дослідження особливостей впливу дисперсійних і нелінійних ефектів на параметри поширюваних імпульсів. Потребують практичного розгляду питання, пов'язані з проектуванням реальних солітонних ліній зв'язку та з перспективою збільшення регенераційних ділянок і пропускної спроможності солітонних систем передачі з дисперсійним управлінням.

13
1. РОЗВИТОК ТА ПЕРСПЕКТИВИ СОЛІТОННИХ ЛІНІЙ ЗВ’ЯЗКУ
1.1 Загальний огляд проблеми
Почавши свій розвиток з появи в 1962 р. 24 – канальних систем імпульсно – кодової модуляції (ІКМ), цифрові мережі довгий час еволюціонували виключно як електричні. Швидкості передачі в них також зростали: з 1,5 – 2 Мбіт / с (первинний канал) до 6 – 8 Мбіт / с (вторинний канал), до 34 – 45 Мбіт / с (третинний канал) і до
140 Мбіт / с (четверинний канал) [1]. Таким чином формувалася стандартна плезіохронна ієрархія (PDH), що дозволила у середині 80 – х р. організовувати до
1920 стандартних телефонних каналів в одному цифровому каналі зв'язку. Подальше збільшення швидкості, пов'язане з підвищенням частоти переданого сигналу, повільно розвивалося через те, що різко зростали втрати в електричному кабелі, оскільки була потрібна установка регенераторів через кожні 2 – 3 км
Проте вже на початку 80 – х років з'явився новий засіб передачі – оптичне волокно (ОВ). Завдяки йому вдалося збільшити довжину ділянки регенерації, і нині
ОВ стало домінуючим середовищем передачі. Його поява призвела до бурхливого розвитку синхронних цифрових мереж, що грунтуються на технологіях SONET /
SDH.
Волоконно – оптичні мережі на сьогодні є безумовно найбільш швидким, надійним та одним з найперспективніших напрямків в телекомунікаційній галузі. У
1981 році була розроблена волоконно – оптична система передачі (ВОСП), що забезпечує передачу даних зі швидкістю 2 Гбіт / с на відстань понад 40 км. До 1996 року потреба збільшення пропускної спроможності систем зв'язку вирішувалася методом тимчасового мультиплексування (Time Division Multiplexing, TDM) [2]. На його основі були створені цифрові системи передачі плезіохронної ієрархії
(Plesiochronous Digital Hierarchy, PDH) та системи синхронної цифрової ієрархії
(Synchronous Digital Hierarchy, SDH). Застосування технології SDH дозволило збільшити швидкість передачі від 155 Мбіт / с до 40 Гбіт / с. Однак збільшення складності обладнання для модуляції і мультиплексування при збільшенні швидкостей передачі даних обмежило застосування цієї технології. Для подолання

14 цієї проблеми розроблена технологія ущільнення оптичних каналів по довжинах хвиль (спектрального ущільнення) (Wavelength Division Multiplexing, WDM).
Експериментально показано, що використання технології WDM забезпечує збільшення пропускної спроможності ВОСП понад 1 Тбіт / с.
Одночасно зі збільшенням швидкості передачі інформації зростає дальність передачі. Революційною подією у збільшенні дальності передачі інформації по волоконно – оптичних мережах стало застосування підсилювачів. Для компенсації втрат у волоконно – оптичній лінії зв'язку (ВОЛЗ) через кожні 80 – 100 км встановлюються оптичні підсилювачі (ОП). Періодичне посилення забезпечує збільшення довжини ретрансляційної ділянки до декількох сотень кілометрів.
У цифрових волоконно – оптичних мережах зв'язку разом з загасанням важливим фактором, що обмежує дальність і швидкість передачі інформації, є розширення світлових імпульсів, що несуть інформацію внаслідок дисперсії одномодового оптичного волокна (ООВ) [1]. Розширення світлових імпульсів внаслідок відмінності групових швидкостей спектральних компоненті (хроматична дисперсія), може бути скомпенсовано декількома способами. Якщо лінії зв'язку на основі оптичного волокна дійсно були лінійними системами, то проблему боротьби з хроматичною дисперсією можна було б вважати вирішеною. З ростом ємності
ВОСП очевидна тенденція збільшення потужності сигналу. Нелінійні взаємодії між оптичним сигналом і оптоволоконним середовищем передачі почали розглядатися, як тільки були здійснені спроби збільшення потужності оптичного сигналу для компенсації втрат внесених обладнанням WDM і для досягнення великих довжин секцій. Таким чином, нелінійні спотворення світлових сигналів є чинником, що обмежує потужність імпульсів і, отже, дальність передачі інформації. Але не лінійність вносить не тільки обмеження параметрів передачі, а й дає можливість створення нового класу ВОСП, що працюють в нелінійному (солітонному) режимі поширення надкоротких оптичних імпульсів у волоконному світловоді.