Einleitung: Wo liegt die Kapazitätsgrenze von WDM?
Hierbei handelt es sich nicht nur um eine theoretische Berechnung, sondern um eine Schlussfolgerung, die nur unter Berücksichtigung der Auswirkungen von drei Hauptfaktoren gezogen werden kann, darunter das verfügbare Spektrum der Faser, die maximale Übertragungsrate bei einer einzelnen Wellenlänge und die minimal zulässige Wellenlängenlücke .
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Bevor die WDM-Kapazität erneut angegeben wird, ist es notwendig, die Konzepte von Bandbreite und Übertragungsrate zu verstehen. Der Begriff der Bandbreite ergibt sich aus der Definition des Signalfrequenzbandes, während die Übertragungsrate der Informationsrate in der Wirksamkeit der Qualitätsindikatoren von Datenkommunikationssystemen entspricht.
Unter Bandbreite versteht man die Datenmenge, die zu einem festen Zeitpunkt übertragen werden kann, also die Kapazität der Daten, die in der Übertragungspipeline übertragen werden können.
Bei digitalen Geräten wird die Bandbreite normalerweise in Bits pro Sekunde (bps) ausgedrückt), was die Anzahl der Bits pro Sekunde darstellt, die übertragen werden können; Bei analogen Geräten wird die Bandbreite typischerweise in Zyklen pro Sekunde oder Hertz (Hz) ausgedrückt.
„Bandwidth“ (Bandbreite) hat die folgenden zwei unterschiedlichen Bedeutungen.
1. bezieht sich auf die Breite des Signalfrequenzbandes. Die Bandbreite eines Signals ist der Frequenzbereich, der von den verschiedenen im Signal enthaltenen Frequenzkomponenten eingenommen wird.
2. In Computernetzwerken wird die Bandbreite verwendet, um die Kapazität der Kommunikationsleitungen des Netzwerks zur Übertragung von Daten anzugeben. Die Netzwerkbandbreite gibt also die „maximale Datenrate“ an, die in einer Zeiteinheit von einem Punkt im Netzwerk zu einem anderen übertragen werden kann .
Bei einem Signal wird der Frequenzbereich zwischen der Frequenz Null und der höchsten zu berücksichtigenden Frequenzkomponente als Bandbreite bezeichnet.
1.1 Frequenzband des Signals
(i) In der Praxis wird für ein Spektrum mit der Abtastfunktion als Hüllkurve der Frequenzbereich zwischen der Nullfrequenz und der Frequenz, die dem ersten Nulldurchgang der Spektralhüllkurve entspricht, als Signalfrequenzband definiert.
(ii) Für das allgemeine Spektrum der Frequenzbereich, der bei der Nullfrequenz beginnt und die Frequenz, auf die die Amplitude abfällt 1/10 Der maximale Punkt der Hüllkurve wird als Signalfrequenzband definiert.
2.1 Qualitätsindikatoren des Datenkommunikationssystems
Zusammenfassend gibt es mehrere Aspekte.
Gültigkeit: bezieht sich auf die Geschwindigkeit der Übermittlung von Informationen.
Zuverlässigkeit: bezieht sich auf die Qualität der Informationsübertragung.
Anpassungsfähigkeit: bezieht sich auf die Umgebungsbedingungen.
Standardisierung: bezieht sich auf die standardmäßige Austauschbarkeit von Komponenten.
Wirtschaftlichkeit: bezieht sich auf die Höhe der Kosten.
Wartung: Benutzerfreundlichkeit.
Die im Folgenden beschriebenen Konzepte sind allesamt wichtige Indikatoren für die Wirksamkeit.
2.2 Codeelementrate
Definition: Die Anzahl der übertragenen Signalelemente pro Sekunde wird Codeelementrate genannt. Einheit: Baud (B), gekennzeichnet durch das Symbol R.B .
Die Codeelementrate wird ausschließlich durch die Codeelementbreite T bestimmt. Beispielsweise beträgt in einem N-Dezimalsignal die Codeelementbreite T und die Anzahl der Codeelemente pro Sekunde 1/T, also die Codeelementrate RB = 1/T Baud, Codeelementrate wird auch Modulationsrate genannt. Die Modulationsrate stellt die kürzeste Zeitdauer innerhalb des Signalelements dar.
2.3 Informationsrate
Definition: Die pro Sekunde übertragene Informationsmenge wird als Informationsrate des Datensignals bezeichnet. Einheit: Bits pro Sekunde (Bit/s), ausgedrückt durch das Symbol R.b.
Es gibt ein N-dezimales Datensignal N mögliche Zustände für jedes Codeelement, und die Wahrscheinlichkeit P für das Auftreten jedes Zustands sei gleich, d. h. P=1/N. In der Informationstheorie wird die Informationsmenge in jedem Codeelement definiert als
I=log2 1/P=log2 N(bit)
Ein N-dezimales Datensignal mit einer Informationsrate von
Rb =RB ×I=RB log2 N(bit/s)
Bei binären Datensignalen sind die Codeelementrate und die Dateninformationsrate numerisch gleich, ihre Einheiten sind jedoch unterschiedlich.
Betrachten Sie unter Berücksichtigung der obigen Beschreibung beispielsweise die verfügbare Bandbreite eines Signals mit einer Rate von 155 Mbit/s[1] , was numerisch 155 MHz entsprechen sollte. Für binäre Datensignale können wir einen Zusammenhang zwischen der Übertragungsrate und der Bandbreite herstellen.
Drei Hauptfaktoren werden diskutiert, darunter das verfügbare Spektrum der Faser, die maximale Übertragungsrate bei einer einzelnen Wellenlänge und der minimal zulässige Wellenlängenabstand, um die mögliche Kapazitätsgrenze eines einzelnen Faserpaars unter den aktuellen technologischen Einschränkungen abzuleiten. Abschließend wird noch einmal die theoretische Grenze der möglichen Kapazität eines einzelnen Faserpaares dargestellt.
3.1 Verfügbare Spektren optischer Fasern
Im verfügbaren Wellenlängenbereich sind WDM-Systeme am unteren Ende durch die Grenzwellenlängen der Fasern begrenzt, die zum Schutz vor Modenrauschen reguliert werden, und am oberen Ende durch den Quarzabsorptionsverlust und den Biegeverlust der Faser sowie Kabeldämpfung und Faserdispersion Es gibt einige Einschränkungen hinsichtlich des Betriebswellenlängenbereichs.
Gemäß den neuesten ITU-T-Spezifikationen liegt der verfügbare Wellenlängenbereich bei etwa 1260–1675 nm. Abzüglich des Wasserpeaks der Faser bei 1385 nm beträgt das insgesamt verfügbare Spektrum etwa 415 nm, was etwa 58 TH entsprichtZ (normalerweise etwa 50 THZ )【2】.
Natürlich berücksichtigt das Designsystem auch das optische Gerät der Lichtquelle und andere Faktoren, wodurch der tatsächlich verfügbare Spektralbereich geringfügig reduziert wird.
3.2 Maximale Übertragungsrate bei einer einzelnen Wellenlänge
Theoretisch gibt es eine Obergrenze für die Übertragungsrate einer einzelnen Wellenlänge, die hauptsächlich durch Faktoren wie die Elektronenmobilität der Silizium- und Gallium-Arsen-Materialien des integrierten Schaltkreises sowie durch die Dispersion und Polarisationsmodendispersion von eingeschränkt wird das Übertragungsmedium. Darüber hinaus muss berücksichtigt werden, ob das Leistungs-Preis-Verhältnis des entwickelten Systems kosteneffizient ist und einen kommerziellen wirtschaftlichen Wert hat.
Aus heutiger Sicht sind die Materialprobleme nicht die hauptsächlichen limitierenden Faktoren, insbesondere das Indiumphosphidmaterial, das dank seiner hohen Elektronen- und Lochmobilität eine hervorragende Leistung bei Geschwindigkeiten über 40 Gbit/s zeigt. Die Dispersion und die Polarisationsmodendispersion des Übertragungsmediums sowie die Einschränkungen des Leistungsverhältnisses des Systems machen die praktischen Aussichten auf eine Geschwindigkeit über 40 Gbit/s jedoch sehr düster. Daher haben wir Grund, 40 Gbit/s als maximale Übertragungsrate für eine einzelne Wellenlänge anzunehmen.
3.3 Zulässige minimale Wellenlängenlücke
Theoretisch beträgt die wahre Informationsbandbreite eines optischen Signals etwa das Doppelte der übertragenen Bitrate.
Tatsächlich ist der minimale Wellenlängenabstand im Systemdesign normalerweise viel größer als das Doppelte der übertragenen Bitrate (da optische Filter keine ideale Ebenheit und absolute Stabilität aufweisen und Lichtquellen auch keine absolute Stabilität aufweisen. Selbst mit Techniken zur Wellenlängenverriegelung wird dies immer noch der Fall sein Wellenlängendrift sein).
Aus konservativer Sicht wird zur Abschätzung der maximalen Übertragungskapazität davon ausgegangen, dass der minimale Wellenlängenabstand von 2.5 Gbit/s, 10 Gbit/s und 40 Gbit/s mindestens das 5-fache, das 2.5-fache und das 1.25-fache der Übertragungsbitrate beträgt , entsprechend minimalen Wellenlängenabständen von 12.5 GHZ , 25 GHZ und 50 GHZ beziehungsweise.
3.4 Prognose der Kapazitätsgrenze
Es ist bekannt, dass die maximale Anzahl von Wellenlängen 4000, 2000 und 1000 für eine einzelne Wellenlängenrate von 2.5 Gbit/s, 10 Gbit/s und 40 Gbit/s bei einem verfügbaren Spektrum von 50TH beträgtZ, Bzw.
Maximale Wellenlängenzahl = verfügbares Spektrum / minimale Wellenlängenlücke
Daraus lässt sich eine Gesamtübertragungskapazität von ca. ableiten 10 Tbit/s, 20 Tbit/s bzw. 40 Tbit/s
Gesamtübertragungskapazität = maximale Anzahl Wellenlängen x Einzelwellenrate
