Introduzione: Qual è il limite di capacità di WDM?
Questo non è solo un calcolo teorico, ma una conclusione che può essere raggiunta solo dopo aver tenuto conto degli effetti di tre fattori principali, tra cui lo spettro disponibile della fibra, la massima velocità di trasmissione a una singola lunghezza d'onda e il minimo intervallo di lunghezza d'onda consentito .
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Prima di affermare nuovamente la capacità WDM, è necessario comprendere i concetti di larghezza di banda e velocità di trasmissione. Il concetto di larghezza di banda deriva dalla definizione della banda di frequenza del segnale, mentre la velocità di trasmissione corrisponde alla velocità di informazione nell'efficacia degli indicatori di qualità dei sistemi di comunicazione dati.
La larghezza di banda si riferisce alla quantità di dati che possono essere trasmessi in un determinato momento, ovvero la capacità dei dati che possono essere trasmessi nella pipeline di trasmissione.
Nei dispositivi digitali, la larghezza di banda è solitamente espressa in bit al secondo (bps), che rappresenta il numero di bit al secondo che possono essere trasmessi; nei dispositivi analogici, la larghezza di banda è tipicamente espressa in cicli al secondo o Hertz (Hz).
“Bandwidth” (larghezza di banda) ha i seguenti due diversi significati.
1. si riferisce all'ampiezza della banda di frequenza del segnale. La larghezza di banda di un segnale è l'intervallo di frequenza occupato dalle diverse componenti di frequenza contenute nel segnale.
2. Nelle reti di computer, la larghezza di banda viene utilizzata per indicare la capacità delle linee di comunicazione della rete di trasmettere dati, quindi la larghezza di banda della rete indica la "velocità massima dei dati" che può essere trasmessa da un punto all'altro della rete in un'unità di tempo .
Per un segnale, l'intervallo di frequenza compreso tra la frequenza zero e la componente di frequenza più alta da considerare è chiamato larghezza di banda.
1.1 Banda di frequenza del segnale
(i) In pratica, per uno spettro con la funzione di campionamento come inviluppo, l'intervallo di frequenze compreso tra la frequenza zero e la frequenza corrispondente al primo attraversamento del punto zero dell'inviluppo spettrale è definito banda di frequenza del segnale.
(ii) Per lo spettro generale, l'intervallo di frequenza a partire dalla frequenza zero e la frequenza a cui scende l'ampiezza 1/10 del punto massimo dell'inviluppo è definita come la banda di frequenza del segnale.
2.1 Indicatori di qualità del sistema di comunicazione dei dati
In sintesi, ci sono diversi aspetti.
Validità: si riferisce alla velocità di trasmissione delle informazioni.
Affidabilità: si riferisce alla qualità della trasmissione delle informazioni.
Adattabilità: si riferisce alle condizioni ambientali di utilizzo.
Standardizzazione: si riferisce all'intercambiabilità standard dei componenti.
Economia: si riferisce al livello di costo.
Manutenzione: facilità d'uso.
I concetti descritti di seguito sono tutti importanti indicatori di efficacia.
2.2 Tasso di elementi di codice
Definizione: il numero di elementi di segnale trasmessi al secondo è chiamato velocità dell'elemento di codice. Unità: Baud (B), indicata dal simbolo R.B .
La velocità dell'elemento di codice è determinata esclusivamente dalla larghezza dell'elemento di codice T. Ad esempio, in un segnale N-decimale, la larghezza dell'elemento di codice è T e il numero di elementi di codice al secondo è 1/T, quindi la velocità dell'elemento di codice RB = 1/T baud, la velocità dell'elemento di codice è anche chiamata velocità di modulazione. Il tasso di modulazione rappresenta la durata di tempo più breve all'interno dell'elemento di segnale.
2.3 Tasso di informazioni
Definizione: la quantità di informazioni trasmesse al secondo è chiamata velocità di informazione del segnale dati. Unità: bit per secondo (bit/s), espressi dal simbolo R.b.
Un segnale di dati N-decimale, ci sono N stati possibili per ogni elemento di codice, e sia la probabilità P che ogni stato si verifichi sia la stessa, cioè P=1/N. Nella teoria dell'informazione, la quantità di informazioni in ciascun elemento del codice è definita come
I=log2 1/P=log2 N(bit)
Un segnale di dati N-decimale con una velocità di informazione di
Rb =RB ×I=RB log2 N(bit/s)
Per i segnali di dati binari, la velocità dell'elemento di codice e la velocità di informazione dei dati sono numericamente uguali, ma le loro unità sono diverse.
Tenendo conto di quanto sopra descritto, si consideri ad esempio la larghezza di banda disponibile di un segnale con velocità di 155 Mbit/s, , che dovrebbe essere numericamente pari a 155MHZ. Per i segnali di dati binari, possiamo stabilire una corrispondenza tra la velocità del numero di trasmissione e la larghezza di banda.
Vengono discussi tre fattori principali, tra cui lo spettro disponibile della fibra, la velocità di trasmissione massima a una singola lunghezza d'onda e la spaziatura minima consentita della lunghezza d'onda, al fine di derivare il possibile limite di capacità di una singola coppia di fibre sotto gli attuali vincoli tecnologici. Infine, viene riproposto il limite teorico di possibile capacità di una singola coppia di fibre.
3.1 Spettri disponibili delle fibre ottiche
Dall'intervallo di lunghezze d'onda disponibili, i sistemi WDM sono limitati all'estremità inferiore dalle lunghezze d'onda di taglio della fibra regolate per proteggersi dal rumore di modo, e all'estremità superiore dalla perdita di assorbimento di silice e dalla perdita di flessione della fibra, l'attenuazione del cavo e la dispersione della fibra hanno anche alcune limitazioni sulla gamma di lunghezze d'onda operative.
Secondo le ultime specifiche ITU-T, la gamma di lunghezze d'onda disponibili è di circa 1260-1675 nm. Detraendo il picco d'acqua della fibra a 1385 nm, lo spettro totale disponibile è di circa 415 nm, che corrisponde a circa 58 THZ (di solito circa 50 THZ )【】 2.
Naturalmente, il sistema di progettazione terrà conto anche del dispositivo ottico della sorgente luminosa e di altri fattori, la gamma spettrale effettiva disponibile sarà leggermente ridotta.
3.2 Velocità di trasmissione massima a una singola lunghezza d'onda
Teoricamente, esiste un limite superiore alla velocità di trasmissione di una singola lunghezza d'onda, vincolato principalmente da fattori quali la mobilità degli elettroni dei materiali di silicio e gallio-arsenico del circuito integrato, nonché dalla dispersione della modalità di polarizzazione e dispersione di il mezzo trasmissivo. Inoltre, è necessario considerare se il rapporto prestazioni/prezzo del sistema sviluppato è conveniente e ha un valore economico commerciale.
Dal punto di vista attuale, le questioni relative ai materiali non sono i principali fattori limitanti, in particolare il materiale al fosfuro di indio che mostra prestazioni eccellenti nella velocità superiore a 40 Gbit/s, grazie alla sua elevata mobilità di elettroni e lacune. Tuttavia, la dispersione in modalità di dispersione e polarizzazione del mezzo trasmissivo, unitamente alle limitazioni del rapporto di prestazione del sistema, rendono molto debole la prospettiva pratica di una velocità superiore a 40 Gbit/s. Pertanto, abbiamo motivo di considerare 40 Gbit/s come la massima velocità di trasmissione per una singola lunghezza d'onda.
3.3 Intervallo di lunghezza d'onda minimo consentito
In teoria, la vera larghezza di banda delle informazioni di un segnale ottico è circa il doppio del bit rate trasmesso.
Infatti, la spaziatura minima della lunghezza d'onda nella progettazione del sistema è solitamente molto maggiore del doppio del bit rate trasmesso (poiché i filtri ottici non hanno planarità ideale e stabilità assoluta, e anche le sorgenti luminose mancano di stabilità assoluta. Anche con le tecniche di blocco della lunghezza d'onda, ci sarà ancora essere la deriva della lunghezza d'onda).
Da un punto di vista conservativo, per stimare la massima capacità di trasmissione, si assume che la spaziatura minima della lunghezza d'onda di 2.5 Gbit/s, 10 Gbit/s e 40 Gbit/s sia almeno 5 volte, 2.5 volte e 1.25 volte il bit rate di trasmissione , corrispondente a distanze minime di lunghezza d'onda di 12.5 GHZ , 25GHZ e 50GHZ rispettivamente.
3.4 Proiezione del limite di capacità
È noto che il numero massimo di lunghezze d'onda è 4000, 2000 e 1000 per una singola velocità di lunghezza d'onda di 2.5 Gbit/s, 10 Gbit/s e 40 Gbit/s a uno spettro disponibile di 50THZ, Rispettivamente.
Numero massimo di lunghezze d'onda = spettro disponibile / intervallo di lunghezza d'onda minimo
Da questo, la capacità di trasmissione totale può essere introdotta per essere intorno 10Tbit/s, 20Tbit/s e 40Tbit/s rispettivamente
Capacità di trasmissione totale = numero massimo di lunghezze d'onda X velocità dell'onda singola
