BR102013030261A2 - método de equalização espectral global aplicado em roteadores ópticos para maximização de desempenho dos sinais transmitidos em sistemas de comunicações ópticas - Google Patents

Abstract

método de equalização espectral global aplicado em roteadores ópticos para maximização de desempenho dos sinais transmitidos em sistemas de comunicações ópticas representado por uma solução inventiva no setor da engenharia de telecomunicações, especificamente às comunicações por fibra óptica, mais particularmente refere-se a um método equalização de potência em um sistema/enlace de comunicações ópticas, sendo um método de controle de atenuação espectral de roadms inseridos em um enlace de comunicações ópticas, que garanta a maior uniformidade espectral no fim do enlace, combinada com a melhor osnr possível para os sinais transmitidos, além de minimizar a atenuação espectral total utilizada na equalização e ainda minimizar o ruído total do enlace.

Description

MÉTODO DE EQUALIZAÇÃO ESPECTRAL GLOBAL APLICADO EM ROTEADORES ÓPTICOS PARA MAXIMIZAÇÃO DE DESEMPENHO DOS SINAIS TRANSMITIDOS EM SISTEMAS DE COMUNICAÇÕES ÓPTICAS.

TERMINOLOGIA

Para um melhor entendimento do relatório descritivo da invenção, apresentam-se a seguir o significado de algumas siglas expressões e termos utilizados: BER - Taxa de Erro de Bits (Bit Error Rate); CAPEX - Despesas de capital (CAPital EXpenditure); DP-QPSK - Chaveamento de quadrifase em dupla polarização (Dual Polarization - Quadriphase Shift Keying); DWDM - Multiplexação por divisão de comprimento de onda densa (Dense Wavelength Division Multiplexing); EDFA - Amplificador a Fibra Dopada com Érbio (Er-bium Doped Fiber Amplifier); FEC - Correção de erro adiante (Forward Error Cor-rection); GFF - Filtro planificador de ganho (Gain Flattening Filter); OSNR - Relação Sinal-Ruido Óptica (Optical Signal to Noise Ratio); PM-QPSK - Chaveamento de quadrifase em polarização multiplexada (Dual Polarization Quadriphase Shift Keying); ROADM - Muitiplexador óptico insere/deriva reconfigu-rável (Reconfigurable Optical Add Drop Multiplexer); STD-SMF - Fibra óptica monomodo padrão (Standard Single Mode Optical Fiber); WSS - Chave seletora de comprimentos de onda (Wavelength Selective Switch).

CAMPO DE APLICAÇÃO A presente patente de invenção de titulo em epígrafe e objeto de descrição e reivindicação nesta cártula trata de uma solução inventiva que encontra destacado beneficio no setor da Engenharia de Telecomunicações, especificamente às comunicações por fibra óptica. Mais particularmente refere-se a um método equalização global de potência em siste-ma/enlace de comunicações ópticas visando maximização de desempenho dos sinais transmitidos.

DEMANDA DO INVENTO

Tendo em vista o setor de Engenharia de Telecomunicações, o desenvolvimento do presente invento teve como motivação atender ao seguinte rol de necessidades concernente à equalização de potência em sistema/enlace de comunicações ópticas: - conferir maior uniformidade espectral no fim do enlace de comunicações ópticas, quando do controle da atenuação espectral de roteadores ópticos; - conferir a melhor OSNR possível para os sinais transmitidos; - minimizar a atenuação espectral total imposta aos sinais ; - minimizar a figura de ruído total do enlace; - prover um algoritmo de simulação e cenários experimentais do sistema/enlace que apresente um melhor desempenho global.

REQUISITOS DO INVENTO

Em consonância com o tópico de demanda do invento, chegou-se a um "MÉTODO DE EQUALIZAÇÃO ESPECTRAL GLOBAL A-PLICADO EM ROTEADORES ÓPTICOS PARA MAXIMIZAÇÃO DE DESEMPENHO DOS SINAIS TRANSMITIDOS EM SISTEMAS DE COMUNICAÇÕES ÓPTICAS" provido de novidade associada de atividade inventiva, pois não decorre de maneira óbvia ou evidente de outras soluções conhecidas no estado da técnica para prover controle de atenuação espectral de roteadores ópticos aliado à maximização de desempenho dos sinais transmitidos, como será devidamente demonstrado no desenvolvimento dessa cártu-la.

Em adição o "invento" é provido de aplicabilidade industrial, sendo economicamente viável e, portanto, atendendo ao rigor dos requisitos de patenteabilidade, notadamen-te como patente de invenção, conforme disposto nos ditames dos artigos 8o e 13° da Lei 9.279.

FUNDAMENTOS DA TÉCNICA A fim de propiciar veracidade, e consolidar o contexto explicitado nos tópicos do quadro introdutório, será apresentada uma breve explanação sobre o estado da técnica e, soluções voltadas ao controle de atenuação espectral de roteadores ópticos inseridos em sistemas de comunicações ópticas, onde após análise critica destas, uma vez expostas para profissionais com expertise na seara de Engenharia de Telecomunicações, poderão identificar seus aspectos limi-tantes, consolidando assim a identificação da demanda pelo desenvolvimento do inédito, método de controle. a. Introdução: a evolução da reconfiguração das redes ópticas está diretamente relacionada ao surgimento e evolução do muitiplexador óptico reconfigurável insere/deriva (ROADM), sendo que a tecnologia utilizada atualmente nos ROADMs é baseada em chaves seletoras de comprimento de onda (WSS) , onde tal abordagem possibilita a reconfiguração dos canais ópticos em qualquer uma das portas de saída da chave, tendo, ainda, a funcionalidade de equalização/atenuação por canal associada a cada uma destas portas.

Desta forma, o emprego de multiplexadores ópticos reconf iguráveis insere/deriva (ROADM) propiciou um maior grau de flexibilidade, permitindo que as redes pudessem se adaptar remotamente e sob demanda às possíveis mudanças de trá- fego, de rota, reduzindo, assim, os custos operacionais associados .

Em linhas gerais, considerando o panorama dinâmico das redes ópticas reconfiguráveis, o número de comprimentos de onda que incidem nos nós da rede óptica e nos amplificadores ópticos torna-se aleatório, o que leva a uma flutuação também aleatória na potência de entrada do amplificador a fibra dopada com érbio (EDFA).

Sob estas condições, por caracteristicas deste elemento, o perfil de ganho, já não uniforme, pode também ser consideravelmente modificado. Assim, flutuações de potência na entrada de EDFAs resultam em variações de ganho.

Por sua vez, o EDFA possui uma forte dependência de ganho com o comprimento de onda dos canais de entrada ao longo da sua banda de amplificação e o comportamento desta dependência varia de acordo com a potência de entrada e a potência de bombeio com que o amplificador está operando. Nesse contexto, o EDFA representa um elemento significativo na rede, pois é fonte de desequalização da potência dos canais amplificados em um sistema óptico, fato que se torna ainda mais relevante quando os canais trafegam por uma cascata de amplificadores. Em resumo, esta característica pode levar à falta ou ao excesso de potência dos canais ópticos após a passagem por alguns EDFAs, podendo tornar a recepção do sistema inviável. b. Estado da técnica: diferentes abordagens para se chegar à equalização da potência dos canais são apresentadas na literatura técnica, desde a utilização de filtros ópticos dinâmicos na saída dos amplificadores, bem como a utilização de multiplexadores, demultiplexadores e atenua-dores, ou mesmo a utilização de chaves seletoras de comprimento de onda. Também compreendem o estado da técnica diversos documentos de patente que revelam métodos e técnicas para equalização de potência em sistemas de comunicações ópticas, dentre os quais o inventor elegeu o seguinte rol de publicações que entende é pertinente ao correto entendimento e valoração do invento. b.l Documento de patente US 6833948: revela um método de equalização de potência de um sistema DWDM. No método revelado, o espectro de ganho de cada amplificador é medido e calculado, e a seguir calculada a curva característica de perda de um dispositivo (fibra óptica) . Em seguida, é subtraida a curva de perda da curva de ganho e calculado o complemento do resultado obtido da subtração. O resultado obtido é da curva característica de um GFF. Tal método é aplicado em cada em cada link (EDFA-fibra-EDFA). A análise critica para esse método de controle revela que o mesmo é restritivo, pois considera apenas os e-feitos enfrentados até o amplificador em análise de controle e não o link como um todo. b.2 Documento de patente CN 101222277: revela um método de equalização da potência dos canais que passam por um WSS. O WSS é responsável por controlar a atenuação espectral dada aos canais visando uma boa planicidade espectral de ganho. A análise critica para esse método de controle revela que o mesmo aplica-se separadamente em cada um dos nós do enlace (equalização local), podendo levar a uma superes-timação do valor de atenuação espectral aplicado aos canais . b.3 Documento de patente EP 1410535: revela um método de equalização de potência por canal entre dois nós consecutivos. É utilizado um canal de comunicação (canal supervisório) entre nós para transmitir as informações, tais como: sinal erro da potência alvo, quantidade de canais. É utilizado um aparato composto de atenuador óptico, demultiplexadores, divisores de potência, fotodetectores, unidade de processamento. A análise critica para esse método de controle revela que esse método é limitado ao número de canais do enlace e número de nós. b.4 Documento de patente US 2009/0116841: também revela um sistema e método para controlar de forma adapta-tiva a potência alvo do EDFA para manter a potência lançada. A fim de corrigir a potência alvo do amplificador, o método revelado utiliza as informações do sistema sobre o tamanho (magnitude) dos lóbulos laterais e relação sinal ruido óptica (OSNR) em cada amplificador. Tais informações são repassadas para o controlador de rede em cada amplificador. Enquanto isso, com a configuração de nivel de potência alvo por canal e a atenuação local de cada canal no WSS, o amplificador calcula de forma adaptativa qual a potência de saida total a fim de manter a potência alvo. A análise critica para esse método de controle revela que o mesmo impõe a necessidade de modificar parâmetros no amplificador para se atingir o objetivo de equali-zação. O inventor entende ser pertinente alertar para o fato relevante de que os documentos conhecidos pelo estado da técnica previamente listados e analisados são apresentados nessa cártula apenas a titulo de referência, e a analise critica dos mesmos colabora para a consolidação das reais necessidades a que o invento propriamente dito se propõe a atender.

PROPOSTA DO INVENTO a. Objetivos: o inventor, ciente de lacuna que existe pertinente aos atuais métodos de equalização de potência para sistema/enlace de comunicações ópticas conhecidos do estado da técnica, estabeleceu como paradigma de desenvolvimento de um método diferenciado de controle o seguinte rol de objetivos: - prover um método de controle da atenuação espectral de ROADMs inseridos em um enlace de comunicações ópticas, que garanta a maior uniformidade espectral no fim do enlace. - prover um método que propicie a melhor OSNR possível para os sinais transmitidos. - prover um método que minimize a atenuação espectral total imposta aos sinais. - prover um método que minimize a figura de ruído total do enlace; e - prover um algoritmo que, considerando a simulação e cenários experimentais, apresente um melhor desempenho global do link. b. Característica distintiva: os objetivos pro- postos são alcançados através de um método de controle de atenuação espectral de ROADMs inseridos em um enlace de comunicações ópticas, onde como é necessário realizar a equa-lização em nós da rede com WSS, não se faz necessário o uso de dispositivos adicionais e como consequência, não ocorre aumento nas despesas de capital (CAPEX) do enlace.

BREVE DESCRIÇÃO DAS FIGURAS A fim de complementar a presente descrição do relatório descritivo da patente de invenção e obter uma melhor compreensão das características da presente patente de invenção acompanham em anexo os seguintes diagramas de blocos e gráficos: A Figura 1 apresenta um fluxograma que ilustra o método de controle global da atenuação espectral. A Figura 2 ilustra uma montagem experimental com- preendendo um transmissor óptico DP-QPSK, um enlace óptico com quatro nós ROADM e 150 Km de STD-SMF, e um receptor óptico DP-QPSK além do controlador centralizado, em linha interrompida, que tem acesso aos parâmetros dos dispositivos . A Figura 3a apresenta um diagrama experimental da atenuação espectral local para um enlace composto por três WSS . A Figura 3b apresenta um diagrama experimental respectivamente da atenuação total para o processo de equali-zação, a atenuação global otimizada na Ia iteração e no regime permanente. A Figura 3c apresenta um diagrama experimental da relação sinal ruido óptica de 80 canais modulados com DP-QPSK para equalização local, equalização global com atenuação máxima por canal limitada em 15 dB, equalização global com atenuação máxima dividida igualmente nos três nós e por fim a equalização global com atenuação máxima limitada em 50% da atenuação total. A Figura 3d apresenta um diagrama experimental um diagrama experimental da taxa de erro de bit (BER) de 80 canais modulados com DP-QPSK para equalização local, equalização global com atenuação máxima limitada em 15 dB, e-qualização global com atenuação máxima dividida igualmente nos três nós e por fim a equalização global com atenuação máxima limitada em 50% da atenuação total.

DESCRIÇÃO DETALHADA A seguinte descrição detalhada deve ser lida e interpretada com referência aos fluxogramas de processo e diagramas de blocos representando uma forma de realização preferida para o "método de controle global de atenuação espectral de ROADMS inseridos em sistemas de comunicações ópticas", não sendo intencionado a limitar o escopo do in- vento, este sim restrito apenas ao explicitado no quadro reivindicatório. a. Efeito técnico obtido: o método da invenção foi testado em uma montagem experimental com pelo menos 80 canais, totalizando um sistema de pelo menos 150 km e quatro WSSs. Os resultados mostram que o método proposto tem um ganho de OSNR de 5 dB, frente ao método de equalização local, sendo adequado para uso em sistemas ópticos DWDM que utilizam WSS para realização da equalização de potência dos canais. b. Do método inventivo: trata-se de um método de controle global de atenuação espectral de ROADMS inseridos em sistemas de comunicações ópticas, baseado em um algoritmo cuja lógica de desenvolvimento obedeceu os seguintes passos sequenciais lógicos, tal como evidenciado na Figura 1 : Passo 1: Cálculo do somatório do vetor de atenuação dos ROADm's, onde o vetor de atenuação global (aTOTAL) é definido como sendo o somatório de todas as atenuações a-tribuídas (ai) para cada frequência (minFreq-maxFreq) a cada nó (i) até o último nó (maxNodelD), definido pela equação : Passo 2: Cálculo da desequalização residual (μΤΟ-TAL)na recepção, obtido pelo nivel de entortamento dos canais (μ0) definido pela equação: Passo 3: Cálculo do somatório do perfil de atenuação + desequalificação residual(β), que é dada em todo processo de equalização definido pela equação: Passo 4: Cálculo da atenuação desnecessária, onde uma vez calculada somatório do perfil de atenuação + dese-qualificação residual (β), pode-se calcular a atenuação que será dada no processo de equalização global (Γ) , definido pela equação: Após determinar o valor de Γ em dB, normaliza-se a perda total necessária para equalizar o enlace óptico. O valor de Γ normalizado representa a atenuação espectral que deve ser aplicada ao sistema para prover espectro plano ao fim do enlace.

Passo 5: Distribuição do ajuste de atenuação da Recepção até o transmissor, onde deve ser aplicado esse perfil de atenuação ao sistema, porém, deve-se otimizar a distribuição das atenuações ao longo dos nós desse sistema, visando a minimização do ruido (NF) do sistema como um todo. O ruido total (NFTotal) de um sistema DWDM em cascata (NFl, NF2...NFm) é dado pela equação: De acordo com a equação acima, os primeiros nós de uma cascata presentes em um enlace óptico afetam mais a o ruido total (NFTotal) do enlace. Desta forma é otimizado o ruido do enlace óptico através da seguinte regra de otimização da atenuação espectral aplicada aos canais ao longo dos ROADMs do enlace óptico: - com ο Γ normalizado determinado, aplica-se a ate- nuação espectral necessária no sentido do último nó para o primeiro nó; - aplica-se o máximo possível de atenuação espectral ao último nó (limitado ao máximo de atenuação permitido pelo ROADM WSS) e, se houver atenuação residual, a mesma vai sendo aplicada aos nós subsequentes (nos ROADMs WSS) no sentido inverso de propagação do sinal.

Este método (algoritmo) deve rodar em laço infinito, visando a equalização dinâmica mesmo quando as condições do sistema mudem de forma espúria. c. Experimentos Realizados: para testar o método da invenção, foram realizados experimentos utilizando os formatos de modulação DP-QPSK com 112 Gb/s de taxa de transmissão, como mostrado na Figura 2. O modulador óptico de quadratura com diversidade de polarização (PM-QPSK) foi alimentado por quatro linhas binárias em 28 Gb/s com uma sequência de bits pseudoaleató-rias de ordem 15 e modulados em 80 canais DWDM. O sinal óptico foi passado através de um sistema óptico composto por 4 WSS e 3 enlaces de 50 km de fibra de monomodo padrão (STD-SMF). EDFAs foram utilizados para compensar a perda total no sistema. Cada enlace foi balanceado para operar com potência máxima de 0 dBm por canal.

No lado do receptor com diversidade de fase e polarização, os sinais elétricos de saida foram adquiridos 40.000 amostras com um osciloscópio de tempo real por cada linha elétrica de XYIQ a 40 milhões de amostras por segundo. Os dados foram processados de modo off-line por algoritmos de processamento digital de sinais. O método global proposto foi analisado frente a três situações de limiar de atenuação por nó: 15 dB por nó, dividido uniformente entre os nós e 50% do valor total (estratégia intencional de desbalanço de potência), cujos re- sultados práticos são mostrados nas Figuras 3a, 3b, 3c e 3d.

Percebe-se, através da leitura e análise atenta dos gráficos das Figuras 3a e 3b que o método proposto otimiza a atenuação espectral global, reduzindo o valor total em torno de 1/3 quando comparado com o valor necessário para atenuação local. Já os resultados de análise da relação sinal ruido óptica (OSNR) são mostrados na Figura 3c. Por sua vez os resultados para análise de taxa de erro de bit são apresentados na Figura 3d.

Percebe-se, através da análise dos gráficos que o método proposto teve um ganho em OSNR de 5 dB para os canais de menor comprimento de onda quando comparados com a equalização local. Além disso, analisando os resultados da Figura 3d, nota-se que com o método proposto todos os 80 canais estão abaixo do limite FEC.

Embora a presente invenção tenha sido descrita em conexão com certas modalidades preferenciais de realização, não se pretende limitar a invenção àquelas modalidades particulares. Ao contrário, pretende-se cobrir todas as alternativas, modificações e equivalentes possíveis, realizadas por expert em engenharia de telecomunicações, sem, no entanto divergir do objetivo revelado no pleito da presente patente, o qual é exclusivamente definido pelas reivindicações anexas.

Verifica-se pelo que foi descrito que o "MÉTODO DE EQUALIZAÇÃO ESPECTRAL GLOBAL APLICADO EM ROTEADORES ÓPTICOS PARA MAXIMIZAÇÃO DE DESEMPENHO DOS SINAIS TRANSMITIDOS EM SISTEMAS DE COMUNICAÇÕES ÓPTICAS" ora reivindicado se enquadra às normas que regem a patente de invenção à luz da Lei de Propriedade Industrial, merecendo pelo que foi exposto e como consequência, o respectivo privilégio.

Claims (5)

1. MÉTODO DE EQUALIZAÇÃO ESPECTRAL GLOBAL APLICADO EM ROTEADORES ÓPTICOS PARA MAXIMIZAÇÃO DE DESEMPENHO DOS SINAIS TRANSMITIDOS EM SISTEMAS DE COMUNICAÇÕES ÓPTICAS é caracterizado pelos seguintes passos sequenciais lógicos: Passo 1 : cálculo do somatório do vetor de atenuação dos ROADm's, onde o vetor de atenuação global (aTOTAL) é definido como sendo o somatório de todas as atenuações a-tribuidas (ai) para cada frequência (minFreq-maxFreq) a cada nó (i) até o último nó (maxNodelD) , sendo definido pela equação: Passo 2: cálculo da desequalização residual (pTOTAL)na recepção, obtido pelo nivel de entortamento dos canais (μΟ) definido pela equação: Passo 3: cálculo do somatório do perfil de atenuação + desequalificação residual(β), que é dada em todo processo de equalização, sendo definido pela equação: Passo 4: cálculo da atenuação desnecessária, onde uma vez calculado o somatório do perfil de atenuação + desequa-lificação residual (β), pode-se calcular a atenuação que será dada no processo de equalização global (Γ), sendo definido pela equação: Passo 5: distribuição do ajuste de atenuação da recepção até o transmissor, onde é otimizada a distribuição das atenuações ao longo dos nós desse sistema, minimização o ruído (NF) do sistema como um todo, onde o ruído total (NF-Total) de um sistema DWDM em cascata (NF1, NF2...NFm) é dado pela equação:

2. MÉTODO DE EQUALIZAÇÃO ESPECTRAL GLOBAL APLICADO EM ROTEADORES ÓPTICOS PARA MAXIMIZAÇÃO DE DESEMPENHO DOS SINAIS TRANSMITIDOS EM SISTEMAS DE COMUNICAÇÕES ÓPTICAS de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por, após determinar o valor de Γ em dB na equação do Passo 4, normalizar a perda total necessária para equalizar o enlace óptico, sendo que o valor de Γ normalizado representa a atenuação espectral que deve ser aplicada ao sistema de comunicação óptica para prover espectro plano ao fim do enlace.

3. MÉTODO DE EQUALIZAÇÃO ESPECTRAL GLOBAL APLICADO EM ROTEADORES ÓPTICOS PARA MAXIMIZAÇÃO DE DESEMPENHO DOS SINAIS TRANSMITIDOS EM SISTEMAS DE COMUNICAÇÕES ÓPTICAS de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por, conforme equação do Passo 5, os primeiros nós de uma cascata presentes em um enlace óptico afetarem mais o ruído total (NFTo-tal) do enlace, otimizando o ruído do enlace óptico através da regra de otimização da atenuação espectral aplicada aos canais ao longo dos ROADMs do enlace óptico: - com ο Γ normalizado determinado, aplica-se a atenuação espectral necessária no sentido do último nó para o primeiro nó; - aplica-se o máximo possível de atenuação espectral ao último nó, limitado ao máximo de atenuação permitido pelo ROADM WSS; e, se houver atenuação residual, a mesma vai sendo aplicada aos nós subsequentes (nos ROADMs WSS) no sentido inverso de propagação do sinal.

4.

MÉTODO DE EQUALIZAÇÃO ESPECTRAL GLOBAL APLICADO EM ROTEADORES ÓPTICOS PARA MAXIMIZAÇÃO DE DESEMPENHO DOS SINAIS TRANSMITIDOS EM SISTEMAS DE COMUNICAÇÕES ÓPTICAS de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por os ditos passos sequenciais lógicos (Passo 1, ... Passo 5) serem e- xecutados infinitamente, conferindo uma equalização dinâmica .