Измерение пассивных оптических сетей (PON)
Оптические показатели, подлежащие измерению в PON сетях широкополосного мультисервисного доступа. Рекомендации по выбору измерительного оборудования. Изучение схем измерений и тестирования связи. Практика проектирования пассивных оптических линий.
| Рубрика | Коммуникации, связь, цифровые приборы и радиоэлектроника |
| Вид | статья |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 26.11.2017 |
| Размер файла | 1,7 M |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Измерение пассивных оптических сетей (PON)
ВВЕДЕНИЕ
В предыдущих выпусках нашего журнала мы уже познакомили читателя с технологией PON, её особенностями, принципами работы, преимуществами перед классическими FTTx сетями, а также возможными топологическими решениями, которые применяются при строительстве пассивных сетей.
В данном выпуске мы рассмотрим ряд актуальных вопросов, касающихся тестирования и измерения PON сетей, а именно: определение оптических показателей, подлежащих измерению, выбор измерительного оборудования, изучение принципов и схем измерений. PON сети имеют три значительные отличия от FTTx:
· 1. Использование древовидной топологии;
· 2. Временное мультиплексирование (TDM);
· 3. Большой оптический бюджет потерь (~30 dB), благодаря которым процессы измерений этих сетей существенно отличаются.
Именно поэтому у инженеров, которые только столкнулись с технологией PON, часто возникают вопросы относительно измерения пассивных сетей при их строительстве и эксплуатации. Попробуем на них ответить.
1. КАКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ ОПТИЧЕСКОЙ ЛИНИИ НЕОБХОДИМО ИЗМЕРЯТЬ?
В оптических сетях существует большое количество паразитных явлений, ухудшающих качество передачи, однако особое влияние имеют лишь четыре из них: затухание, возвратные потери, дисперсия и вынужденное неупругое рассеяние.
Затухание - потеря мощности сигнала при его распространении по оптоволокну. Потеря мощности происходит как в самом волокне (из-за Релеевского рассеяния и Френелевского отражения), так и в пассивных элементах сети: сплиттерах, механических и сварных соединениях. Затухание является самым важным измеряемым параметром, т.к. PON сеть при оптическом бюджете в 30 dB имеет запас мощности всего 3 dB (в некоторых случаях ещё меньше).
Рисунок 1.1 - Влияние затухания на форму сигнала
Возвратные потери (ORL - Optical Return Loss) - искажение формы сигнала в процессе его распространения по оптоволокну под действием отражённого сигнала. Отражённый сигнал, причиной которого является Френелевское отражение, сильно сказывается на качестве передачи аналогового ТВ-сигнала (особенно, если он имеет амплитудную модуляцию). Поэтому в большинстве случаев показатель ORL, наряду с затуханием, характеризует качество оптической линии связи. Однако, если в сети PON не планируется передача CATV, то измерения ORL можно опустить.
Примечание:
1) ORL определяется как логарифмическое отношение мощности базового сигнала к мощности отражённого, поэтому чем выше показатель ORL, тем лучше.
2) Отражённый сигнал можно уменьшить, используя коннекторы с более современным типом полировки. Обычные коннекторы с UPC полировкой имеют значения ORL около 50…55 dB. При использовании коннекторов с APC полировкой ORL увеличивается до 65…70 dB.
Дисперсия - изменение формы светового импульса при его распространении по оптоволокну. Существует несколько видов дисперсии, но в PON сетях (где используется одномодовое волокно) преобладает хроматическая дисперсия. Она возникает из-за того, что излучение лазера имеет несколько спектральных составляющих, распространяющихся по волокну с разной скоростью. Это приводит к "размытию" импульса и уменьшению его амплитуды. Однако дисперсии стоит опасаться на длинных трассах (более 100 км) при большой скорости передачи (10 G и выше). В PON сетях дисперсией можно пренебречь и измерять её нет никакого смысла.
Рисунок 1.2 - Влияние дисперсии на форму сигнала
Вынужденное неупругое рассеяние. Различают Рамановское (SRS) и Бриллюэновское (SBS) рассеяния. Суть данных явлений заключается в том, что при большой плотности мощности одиночного сигнала (~10..20 dBm для SBS и ~30..40 dBm для SRS) происходит искажение коэффициента преломления волокна, в результате чего в месте искажения формируются встречные (стоксовые) и сонаправленные (антистоксовые) сигналы на смежных длинах волн (л±Дл).
Рисунок 1.3 - SRS и SBS
В сети PON эффект SRS можно не рассматривать, а эффект SBS проявит себя только при добавлении в PON сеть кабельного телевидения (средняя мощность CATV сигнала после усилителя ~18..20 dBm). Более того, большинство современных TV трансмиттеров используют специальные SBS-C лазеры (лазеры с внешней модуляцией с "размытой" частотой излучения), которые позволяют значительно снизить эффект SBS.
Таким образом, при строительстве и эксплуатации PON сети необходимо следить всего за двумя показателями: затуханием в линии и возвратными потерями (ORL).
2. КАК ВЫБРАТЬ ПОДХОДЯЩЕЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ PON?
Для измерения сетей PON можно использовать то же оборудование, что и для FTTx, однако с более совершенными характеристиками. Ниже приведён перечень измерительных приборов, необходимых для тестирования PON сетей, с указанием наиболее важных характеристик.
Оптические измерители мощности (Optical Power Meter - ОРМ). Используются для измерения оптической мощности сигнала на разных длинах волн. В паре со стабилизированным источником света ОРМ применяется для измерения затухания в узлах сети (участках кабеля, сплиттерах, сварных и механических соединениях).
Основные характеристики OPM: тип фотодиода (Ge, GeX или InGaAs), рабочие длины волн ( nm), чувствительность фотодиода ( dBm). Т.к. OPM зачастую используется "в поле", он должен иметь фотодиод на основе сплава арсенида галлия (InGaAs), чтобы стабильно работать в любых температурных условиях. Для работы с PON OPM должен "уметь" мерить сигнал мощностью от -30 до +20 dBm на длинах волн 1310, 1490, 1550 и 1625 nm (опционально).
Стабилизированные источники света (Stabilized Light Source - SLS). Выполняют роль ввода в оптическую линию сигнала заданной мощности и на заданной длине волны. Всегда используются в паре с OPM, т.к. использование одного SLS не целесообразно.
Основные характеристики: мощность лазера ( dBm), рабочие длины волн ( nm). Обычно SLS генерируют сигнал с мощностью -5… -7 dBm, поэтому для измерения затухания между оконечными оптическими узлами SLS должен работать в паре с OPM, который способен измерять сигнал до -40 dBm. Все SLS "умеют" работать на длинах волн 1310 и 1550 nm, что является достаточным для PON сети. Тем не менее существуют модели с поддержкой длины волны 1625 nm (на данной длине волны удобно проводить измерения в уже работающей сети).
Анализаторы затухания (Optical Loss Test Set - OLTS). Данные устройства представляют собой комплект, состоящий из измерителя мощности (OPM) и источника излучения (SLS). Однако большинство современных OLTS представлены одним прибором, "на борту" которого есть и измеритель, и излучатель - данный подход крайне эффективен для двустороннего тестирования линии связи (при наличии пары таких приборов).
Визуальные дефектоскопы (Visual Fault Locator - VFL). Представляют собой оптические излучатели в видимом диапазоне спектра (~650 nm). Позволяют обнаруживать дефекты кабеля в оптических узлах (кроссах, муфтах, PON-боксах и т.д.), где есть возможность визуального контроля. Суть работы прибора состоит в том, что сигнал на длине волны ~650 nm рассеивается на крупных неоднородностях в волокне, т.е. наблюдается оператором в виде светлых пятен через оболочку кабеля.
Основной характеристикой VFL является мощность лазера ( dBm), которая определяет, насколько далеко свет может распространиться по волокну. Современные VFL способны передавать свет на расстояние порядка 8-10 км при мощности лазера в 5…10 dBm.
Оптические рефлектометры (Optical Time Domain Reflectometer - OTDR). Одни из самых востребованных приборов для диагностики и тестирования сетей. Имея доступ к одному концу волокна, рефлектометр позволяет построить график распределения мощности сигнала по оптической линии - рефлектограмму. Анализ рефлектограммы позволяет определить практически все необходимые параметры линии: погонные затухания волокна, потери мощности между двумя точками сети или потери на отдельных пассивных элементах, возвратные потери. Кроме того, рефлектограмма позволяет быстро и точно определять местоположение сплиттеров, соединений, обрывов волокна или других дефектов. Тем не менее цены на данные устройства достаточно велики, поэтому позволить себе качественный рефлектометр могут далеко не все.
Основными характеристиками OTDR являются: рабочие длины волн ( nm), ширина импульса (нс), динамический диапазон ( dB), мёртвая зона (м), разрешающая способность (м), количество точек измерения. Обычно OTDR проводят измерения на двух длинах волн (1310 и 1550 nm). Тем не менее OTDR, способный также работать на длине волны 1625 nm, позволяет более чётко детектировать дефекты волокна (макроизгибы) и может проводить измерения в рабочей сети без прерывания связи.
Ширина импульса - показатель, от которого во многом зависит и динамический диапазон, и мёртвая зона. Широкие импульсы позволяют снимать рефлектограмму с более длинных линий, но ухудшают детализацию измерений и увеличивают мёртвую зону. Короткие импульсы, наоборот, позволяют точно определить местоположение неоднородности, но на малых дистанциях. Качественный рефлектометр способен генерировать импульсы шириной от 5 до 20000 нс.
Динамический диапазон (самый важный показатель) определяет длину волокна, которую может просветить рефлектометр. Если перед инсталлятором стоит задача просветить небольшой участок сети, то подойдут OTDR с динамическим диапазоном ~30 dB; если же надо просветить всё дерево PON целиком, то стоит выбирать рефлектометр с динамическим диапазоном не менее 35 dB (лучше 38-40 dB).
Примечание:
В характеристиках OTDR динамический диапазон указывается вместе с шириной импульса, при которой он был измерен, поэтому при равных динамических диапазонах выбирать стоит тот прибор, который имеет меньшую ширину импульса.
Мёртвая зона определяет время, в течение которого приёмник OTDR находится в состоянии насыщения ("слепоты") и не способен корректно детектировать сигнал. Данный показатель является косвенным, т.к. в первую очередь зависит от ширины импульса и мощности отражённого сигнала, а уже потом - от скорости стабилизации фотоприёмника. Выделяют два типа мёртвых зон: по событию и по затуханию. Мёртвая зона по событию - это минимальное расстояние между двумя отражающими неоднородностями волокна (например, двумя механическими соединениями), при котором OTDR ещё может детектировать каждую из неоднородностей отдельно. Приемлемое значение данного показателя - менее двух метров. Мёртвая зона по затуханию - минимальное расстояние после отражающей неоднородности, когда приёмник способен снова корректно измерять обратное рассеяние. Приемлемое значение - менее 10 метров.
Разрешающая способность и количество точек измерения. Эти два показателя определяют, насколько точно рефлектометр может определить местонахождение события (неоднородности) и какое максимальное количество событий (точек измерения) он сможет сохранить у себя в памяти. Современные модели имеют разрешающую способность вплоть до 5 см и до 128000 и более точек измерения.
Очень полезным в OTDR является режим "Реального времени". Он позволяет оператору в реальном масштабе времени наблюдать изменение рефлектограммы (крайне полезно при проведении сварочных работ).
Измерители ORL. Применяются для измерения полных возвратных потерь или возвратных потерь на отдельных пассивных элементах. Данные приборы в виде отдельного устройства практически не выпускаются - вместо этого модули измерения ORL встраиваются во многие OLTS и OTDR. Измеритель ORL по принципу работы чем-то похож на рефлектометр, однако он определяет уровень возвратных потерь более точно.
Основными характеристиками измерителя ORL являются рабочие длины волн ( nm) и диапазон ORL ( dB). Простые измерители ORL работают на двух длинах волн (1310 и 1550 nm), более дорогие также работают на длине волны 1625 nm. Диапазон ORL для обычных измерителей составляет ~50 dB, что соответствует отражению от UPC коннектора. Если же необходимо измерять самые слабые отражённые сигналы (от APC коннекторов), то диапазон ORL должен быть не ниже 60 dB.
3. КАКИЕ СХЕМЫ ПРИМЕНЯЮТСЯ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ PON СЕТИ?
Измерения и тестирование любой оптической сети, в том числе и PON, можно разделить на четыре этапа: входной контроль, строительно-монтажные, приёмо-сдаточные и эксплуатационные измерения. Рассмотрим каждый из этапов подробнее.
Входной контроль. Производится до начала строительства сети. Его целью является проверка и подтверждение технических характеристик элементов сети (погонного затухания оптического кабеля, затухания и возвратных потерь (ORL) на адаптерах и сплиттерах). Однако данный этап требует огромного количества времени, поэтому зачастую инженеры пропускают его, полагаясь на результаты лабораторных испытаний (так называемые Test Reports), которые входят в комплект поставки пассивных элементов сети.
Строительно-монтажные измерения. На данном этапе производится оценка качества строительства сети - измеряются погонные затухания пролёта кабеля, затухания на отдельных пассивных компонентах (адаптерах и сплиттерах) и сварных соединениях, полные затухания между оконечными точками сети, а также возвратные потери (полные или частичные (отдельных компонентов)).
На данном этапе измерения должны производиться после завершения строительства каждого сегмента сети. Это позволит более оперативно находить и исправлять ошибки, которые могли быть допущены при инсталляции данного сегмента. При измерениях каждого сегмента сети крайне рекомендуется использовать рефлектометр (OTDR) для получения более точной характеристики линии. Однако это занимает много времени, поэтому к использованию рефлектометра прибегают только в том случае, если результаты измерений обычными приборами существенно отличаются от теоретических расчётов.
Зачастую при строительстве сети используют источник стабилизированного излучения (SLS) и оптический измеритель мощности (OPM). Включая их в разные точки сети, можно измерять затухания как на отдельных пассивных элементах и соединениях, так и потери мощности всей оптической трассы (Рис 3.1).
Рисунок 3.1 - Пример подключения SLS + OPM
Более рациональным решением является приобретение двух анализаторов затухания (OLTS), которые представлены устройством "3 в 1" (излучатель, измеритель мощности, измеритель ORL). Такой подход позволяет не только производить двусторонний анализ затухания (не меняя приборы местами), но и снимать с линии характеристики возвратных потерь (ORL).
В крайних случаях, если у инсталлятора нет источника стабилизированного излучения (SLS), вместо него можно использовать передатчик OLT-а (SFP модуль с длиной волны излучения 1490 nm) или передатчик TV трансмиттера (1550 nm). В этом случае измерения будут менее точными (±1db), т.к. передатчики терминального оборудования являются не постоянными источниками света. При такой схеме (Рисунок 3.2) теряется гибкость измерения, т.к. источник излучения привязан к одной точке сети.
Рисунок 3.2 - Пример подключения OPM + терминального оборудования в качестве источника излучения
При работе с OPM может возникнуть одна проблема - измерение мощности сигнала на конкретной длине волны. Обычные OPM имеют широкополосный фотоприёмник и не имеют встроенных фильтров для выделения той или иной длины волны, т.е. они измеряют групповой сигнал. Если в PON сети передаётся только Интернет трафик, то проблем не возникает (OPM измеряет сигнал на 1490 nm). Проблемы появляются, если в сети помимо Интернета присутствует CATV сигнал на длине волны 1550 nm. В этом случае OPM необходимо подключать через CWDM колбу (световой фильтр), которая отсечёт ненужный сигнал.
Однако с недавнего времени на рынке измерительных приборов появилось более элегантное решение - специальный PON OPM. Это проходной измеритель мощности, который включается в линию и измеряет сигнал сразу на трех длинах волн (1310, 1490 и 1550 nm), внося при этом минимальные (<1.5 dB) затухания в линию. Другая особенность данного измерителя будет описана ниже.
Рисунок 3.3 - Подключение OPM через CWDM колбу
Рисунок 3.4 - Пример подключения проходного PON измерителя
На окончательном этапе строительства сети все её оптические показатели должны быть задокументированы. Для этого используется рефлектометр, т.к. рефлектограмма является показателем качества строительно-монтажных работ и отражает все необходимые оптические характеристики линии. Кроме того, при возникновении неполадок в сети наличие опорных рефлектограмм позволяет быстро обнаружить место и характер неисправности путём сравнения опорной рефлектограммы с "аварийной".
Рисунок 3.5 - Пример подключения рефлектометра (OTDR)
При работе с рефлектометром у инсталлятора PON сети могут возникнуть следующие вопросы:
· Можно ли просветить дерево PON целиком? Да. Правда, есть один нюанс. Можно выставить на рефлектометре большую ширину импульса (тем самым увеличив его динамический диапазон) и просветить дерево PON до самого конечного узла, но в этом случае мы получим неинформативную ("размытую") рефлектограмму с большими мёртвыми зонами. Для сохранения детализации ширина импульса должна быть более 30 нс, но рефлектометров, способных просветить всё PON дерево при таком коротком импульсе, мало, и стоят они очень дорого (как уже отмечалось ранее, необходимо ориентироваться на OTDR с динамическим диапазоном ~38…40 dB).
· В каком направлении нужно снимать рефлектограмму? Несмотря на кажущуюся очевидность, снимать рефлектограмму от OLT-а к абонентским узлам нельзя. При этом на приёмник рефлектометра вернётся огромное количество отражённых сигналов со всех веток сети - анализировать такую рефлектограмму будет практически невозможно. Поэтому вариант остаётся только один - снимать рефлектограмму от абонентских узлов к OLT-у. Стоит отметить, что когда PON сеть представлена шинной топологией, то анализ её рефлектограмм также является весьма затруднительным, т.к. в шине используются FBT сплиттера с разным коэффициентом деления мощности.
· На каких длинах волн нужно снимать рефлектограмму? Рефлектограмму лучше делать на трех длинах волн (1310, 1550 и 1625 nm). Длины волн 1310 и 1550 nm используются для того, чтобы получить более точное представление о характере неоднородности в оптическом волокне (например, на длине волны 1550 nm происходит большая потеря мощности сигнала на макроизгибах волокна, чем на 1310 nm). Длина волны 1625 nm может использоваться (опционально) для снятия рефлектограмм на этапе эксплуатации сети.
Приёмо-сдаточные измерения. На данном этапе строительно-монтажные работы закончены, и остаётся провести последние контрольные измерения для подтверждения качества оптической линии. Под контрольными подразумеваются следующие виды измерений:
· Измерение мощности передающего оборудования (OLT и CATV трансмиттер).
· Измерение мощности на выходе каждого абонентского узла.
Если хотя бы одно измерение даст результат, отличный от проектных расчётов, измерения продолжатся уже внутри сети, а не только в конечных оптических узлах.
Эксплуатационные измерения. Данный этап вступает в силу, когда в сети уже есть подключенные абоненты, таким образом, проводить измерения на "живой" сети становится значительно труднее. Тут инженеры сталкиваются с двумя основными проблемами: как проводить измерения на действующей сети и как подключить измерительное оборудование в оптический узел, не нарушая работу сети?
В рабочей PON сети измерения на длинах волн 1310 и 1490 nm запрещены, т.к. это приведёт к ошибкам в передаче данных. Измерение на длине волны 1550 разрешено только в том случае, если в сети не передаётся сигнал CATV. Если же он всё-таки передаётся, то для измерений PON используется резервная длина волны 1625 nm (о которой столько упоминалось ранее). Именно поэтому желательно приобретать SLS, OPM и OTDR, способные работать с этой длиной волны. Чтобы ввести резервный сигнал из SLS в волокно и вывести его из волокна на OPM, достаточно использовать две CWDM колбы (одну на передающей и одну на принимающей стороне). Аналогично можно подключить рефлектометр.
Рисунок 3.6 - Пример измерений без разрыва связи
К сожалению, подключить измерительное оборудование в оптический узел, не нарушив работу сети, нельзя (это возможно только при наличии свободных выводов на сплиттере или патч-панели). Однако установка колбы в линию занимает меньше нескольких секунд, поэтому абоненты вряд ли заметят отсутствие Интернета.
Ещё одной проблемой является измерение мощности сигнала с ONU при подключении нового абонента. Если подключить к ONU измеритель мощности, то он ничего не покажет, т.к. ONU не передаёт сигнал без разрешения OLT-а (Рисунок 3.7 а). Если измеритель подключить к ONU через сплиттер (Рисунок 3.7 б), то он покажет неверное значение. Это происходит, потому что обычный измеритель вычисляет среднее значение мощности за определённый интервал времени, а ONU большую часть времени "молчит".
Рисунок 3.7 - Варианты измерения мощности передатчика ONU
Решить эту проблему позволит упомянутый ранее проходной PON-измеритель (Рисунок 3.7 в). На длине волны 1490 и 1550 nm он работает как обычный измеритель мощности, но на длине волны 1310 nm он работает в импульсном режиме, т.е. измеряет пиковую амплитуду сигнала, что позволяет корректно определять мощность передатчика ONU.
Расчёт скорости передачи данных в сети PON. Расчёт скорости передачи данных в сети PON строится на том факте, что клиент не всегда находится в сети, а если и находится, то не всегда использует всю ёмкость отведённого под него канала. Расчёт будем производить исходя из предположения, что к одному PON-порту OLT подключено максимально возможное число ONU (64 единицы).
Скорость нисходящего потока составляет 2500 Mbps, значит, на одну ONU приходит 1250/64 = 40 Mbps. Допускаем, что одновременно в сеть включено 50 % ONU - скорость на одну ONU возрастает до 80 Mbps. Учитывая тот факт, что не все пользователи активно используют канал связи (торрент и прочее), примем допущение, что из всех активных в единицу времени количество пользователей, активно качающих - 50 %. По итогу, скорость на одну ONU составит около 80 Mbps. Во время Prime Time (время наименьшей загрузки сети, ранним утром с 4-х до 8-ми) каждая ONU может получать до 1 Gbps. Необходимо также учитывать сезонные колебания клиентских требований (зимой больше клиентов активно в сети, особенно вечером, летом - меньше).
"Нарезанием" тарифных планов провайдер должен заниматься, естественно, самостоятельно, при этом аппаратно реализовать тарифный план всегда удобнее (шейпинг на портах). Для этого обычно используется некий ПК, выступающий в роли вышестоящего L3 роутера, к которому "привинчивается" некая биллинговая база данных, и по протоколу PPTP или PPPoE организуется связь с клиентом. Шейпинг также можно осуществить непосредственно на OLT с использованием сервиса QOS, но это не совсем удобно, так как при изменении тарифного плана (или при добавлении нового) гораздо удобнее запустить скрипт на ПК, чем по S NMP или Telnet перенастраивать порты на OLT.
Существующие топологии сетей PON. Существуют четыре основные топологии построения оптических сетей доступа: "точка-точка", "кольцо", "дерево с активными узлами", "дерево с пассивными узлами".
Точка-точка (P2P). Топология P2P не накладывает ограничения на используемую сетевую технологию. P2P может быть реализована как для любого сетевого стандарта, так и для нестандартных решений, например, оптические модемы. С точки зрения безопасности и защиты передаваемой информации при соединении P2P обеспечивается максимальная защищенность абонентских узлов. Поскольку ОК нужно прокладывать индивидуально до абонента, этот подход является наиболее дорогим и привлекателен в основном для крупных абонентов.
Топологическое кольцо. Кольцевая топология на основе SDH положительно зарекомендовала себя в городских телекоммуникационных сетях. Однако в сетях доступа не все обстоит также хорошо. Если при построении городской магистрали расположение узлов планируется на этапе проектирования, то в сетях доступа нельзя заранее знать где, когда и сколько абонентских узлов будет установлено. При случайном территориальном и временном подключении пользователей кольцевая топология может превратиться в сильно изломанное кольцо с множеством ответвлений, подключение новых абонентов осуществляется путем разрыва кольца и вставки дополнительных сегментов. На практике часто такие петли совмещаются в одном кабеле, что приводит к появлению колец, похожих больше на ломаную - "сжатых" колец (collapsed rings), что значительно снижает надежность сети. Фактически, главное преимущество кольцевой топологии сводится к минимуму.
Дерево с активными узлами. Дерево с активными узлами - это экономичное с точки зрения использования волокна решение. Это решение хорошо вписывается в рамки стандарта Ethernet с иерархией по скоростям от центрального узла к абонентам 1000/100/10 Мбит/с (1000Base-LX, 100Base-FX, 10Base-FL). Однако в каждом узле дерева обязательно должно находиться активное устройство (применительно к IP-сетям, коммутатор или маршрутизатор). Оптические сети доступа Ethernet, преимущественно использующие данную топологию, относительно недороги. К основному недостатку следует отнести наличие на промежуточных узлах активных устройств, требующих индивидуального питания.
Дерево с пассивным оптическим разветвлением PON (P2MP). Решения на основе архитектуры PON (рисунок 18) используют логическую топологию "точка-многоточка" P2MP (point-to-multipoint), которая положена в основу технологии PON, к одному порту центрального узла можно подключать целый волоконно-оптический сегмент древовидной архитектуры, охватывающий десятки абонентов. При этом в промежуточных узлах дерева устанавливаются компактные, полностью пассивные оптические разветвители (сплиттеры), не требующие питания и обслуживания.
4. ПРАКТИКА ПРОЕКТИРОВАНИЯ ПАССИВНЫХ ОПТИЧЕСКИХ СЕТЕЙ (PON)
Разумеется, Маугли, как сын лесоруба, многое знал и умел строить шалаши из хвороста, сам не зная, как это у него получается. Но проектировать PON он не умел… (Редьярд Киплинг + Юрий Никитченко)
Задача проектирования PON, после выбора активного оборудования, в общем случае, сводится к последовательности следующих операций: определение мест установки абонентских терминалов (ONU), выбор топологии сети, выбор трасс прохождения кабеля и мест установки разветвителей, расчет бюджета потерь для каждой ветви и определение оптимальных коэффициентов деления всех разветвителей.
Если места установки абонентских терминалов легко выбираются исходя из реального расположения пользователей, то выбор топологии требует выбора одного из нескольких возможных вариантов.
Кроме наиболее распространенной топологии "дерево", на практике могут встречаться варианты, преобразованные к топологиям типа "звезда" или "шина". Схема "звезда" может применяться при плотном расположении абонентов недалеко от главной станции. В этом случае разветвитель размещается рядом в станционном помещении рядом с оптическим линейным терминалом (OLT), что удобно в обслуживании. Такая схема проста и удобна для эксплуатационных измерений и обнаружения места повреждения линии. Однако, по аналогии со схемой "точка-точка", здесь нет экономии волокон. При достаточно разнесенном и неравномерном расположении абонентов такая схема может оказаться неэффективной.
Шинная топология может использоваться, если дома абонентов находятся на одной линии вдоль оптической магистрали. Схема достаточно экономичная, но она предполагает очень большую разность выходных мощностей оптических разветвителей (типа 1/99, 3/97 и т.п.), что достаточно сложно технологически реализовать с хорошей точностью. Она реально может применяться только при "линейном" расположении пользователей вдоль магистрали и только при небольшом количестве каскадов, иначе потери в разветвителях станут сильно ограничивать дальность передачи.
Традиционная топология "дерево" остается наиболее популярной. Вопросы оптимального распределения мощности между различными ветвями решаются удачным подбором коэффициентов деления оптических разветвителей. Древообразная топология является очень гибкой с точки зрения потенциального развития и расширения абонентской базы. Потенциальные проблемы могут быть связаны со сложностью оптических измерений, особенно со станционной стороны. В целом, такую схему можно рекомендовать при локальных сосредоточениях (кластерах) абонентов в районе обслуживания.
Рисунок. PON "звезда"
Рисунок. PON "шина"
Рисунок. PON "дерево"
Выбор кабельных трасс будет обусловлен различными местными факторами: наличием кабельной канализации, наличием разрешения на прокладку в ней кабелей, наличием опор (осветительных, контактной сети и др.) вдоль трасс прохождения кабелей и другими моментами.
Оптические разветвители рекомендуется устанавливать в местах, удобных для их размещения и обслуживания: в муфтах, распределительных шкафах, боксах, блоках оптического кросса. Наиболее просты для установки бескорпусные разветвители, размеры которых позволяют укладывать их в посадочное место защитной гильзы в сплайс-кассете, а голые волокна сваривают с волокнами линейных оптических кабелей. Потери в сварных соединениях разветвителей значительно ниже, чем в соединениях разъемных, а надежность их выше. Корпусные разветвители, с волокнами оконеченными коннекторами, более удобны при дальнейших эксплуатационных измерениях. В целях экономии оптических волокон их целесообразно устанавливать, как можно ближе к абонентам, однако окончательное место установки определяется реальными условиями проекта. Самой ответственной задачей проектирования является расчет бюджета потерь и определение оптимальных коэффициентов деления всех разветвителей.
Порядок расчета выглядит следующим образом:
· расчет суммарных потерь для каждой ветви без учета потерь в разветвителях;
· поочередное определение коэффициентов деления каждого разветвителя, начиная с наиболее удаленных;
· расчет бюджета потерь для каждого абонентского терминала с учетом потерь во всех элементах цепи, сравнение его с динамическим диапазоном системы.
Поскольку обычно абоненты находятся на различном расстоянии от головной станции, то, при равномерном делении мощности в каждом разветвителе, мощность на входе каждого ONU будет различна. Подбор параметров разветвителей связан с необходимостью получения на входе каждого абонентского терминала сети примерно одинакового уровня оптической мощности, т.е. построить так называемую сбалансированную сеть.
Рисунок. Сбалансированная PON
Рисунок. Несбалансированная PON
Это принципиально важно по двум причинам.
Во-первых, для дальнейшего развития сети важно иметь примерно равномерный запас по затуханию в каждой ветви "дерева" PON.
Во-вторых, если сеть не сбалансирована, то на станционный терминал OLT от различных ONU будут приходить в общем потоке сигналы, сильно отличающиеся по уровню. Система детектирования не в состоянии отрабатывать значительные перепады (более 8-12 дБ) принимаемых сигналов, что значительно увеличит количество ошибок при приеме обратного потока. При выборе коэффициентов деления разветвителей необходимо знать, какие потери будут вноситься в цепь при том или ином коэффициенте деления. Для примерного определения вносимых потерь полнодиапазонных (1310нм, 1490 нм и 1550 нм) разветвителей типа 1х 2 воспользуемся следующей справочной таблицей.
Таблица 1
|
Коэффициент деления, % |
Оценочные вносимые потери, дБ |
Разность вносимых потерь между выходными портами, дБ |
|
|
50/50 |
3,6/3,6 |
0 |
|
|
45/55 |
4,1/3,2 |
0,9 |
|
|
40/60 |
4,7/2,7 |
2 |
|
|
35/65 |
5,2/2,3 |
2,9 |
|
|
30/70 |
6,0/1,9 |
4,1 |
|
|
25/75 |
6,9/1,5 |
5,4 |
|
|
20/80 |
8,0/1,2 |
6,8 |
|
|
15/85 |
9,7/0,9 |
8,8 |
|
|
10/90 |
11,3/0,6 |
10,7 |
|
|
05/95 |
15,2/0,5 |
14,7 |
Примечание. В таблицах приведены максимальные значения вносимых потерь, реальные величины обычно быть ниже на несколько десятых дБ.
При необходимости определения вносимых потерь разветвителей с большим количеством выходных портов или использования при других коэффициентах деления, можно воспользоваться оценочной формулой:
где D % - процент мощности, выводимой в данный порт, %;
N - количество выходных портов.
Пример 1. Рассчитаем затухание, вносимое разветвителем 1х 4 с коэффициентом деления 10/25/30/35. Произведем расчет для каждого из четырех выходных портов:
При использовании разветвителей с равномерным коэффициентом деления можно воспользоваться следующей справочной таблицей.
Таблица 2
|
Тип равномерного разветвителя |
1:02 |
1:04 |
1:08 |
1:16 |
1:32 |
0,0861111 |
|
|
Оценочные вносимые потери, дБ |
3,6 |
6,9 |
10,1 |
13,3 |
16,7 |
20 |
Следует понимать, что использование справочных таблиц и расчет по приведенной выше формуле позволит вам только примерно оценить значение вносимого затухания (погрешность находится в пределах 0,1…0,4 дБ). Конкретные значения вносимых потерь для каждого разветвителя даются производителем, однако и расчетные значения вполне пригодны для проектирования. пассивная оптическая измерение проектирование
Теперь можно переходить к выбору коэффициентов деления разветвителей для конкретного проекта и расчету бюджета потерь. Для каждой оптической линии представим все потери в линии в виде суммы затуханий всех компонентов: оптического кабеля, разъемных соединениях, сварных соединениях, разветвителях.
А - суммарные потери в линии (между OLT и ONU), дБ;
l - длины участков, км;
n - количество участков;
a - коэффициент затухания оптического кабеля, дБ/км;
NP - количество разъемных соединений;
AP - средние потери в разъемном соединении, дБ;
NC - количество сварных соединений;
AC - средние потери в сварном соединении, дБ;
AРАЗ - потери в каждом оптическом разветвителе, дБ;
Первое слагаемое относится к суммарным потерям в оптическом кабеле, второе - к потерям в разъемах, третье - к потерям на сварках, и четвертое - потери в разветвителях.
После этого, произведем расчет затухания для каждой цепи (от OLT до ONU) по первым трем слагаемым и выберем коэффициент деления разветвителей так, чтобы затухание в каждой цепи было примерно одинаковым.
Расчет бюджета потерь должен подтвердить, что для каждой цепи общая величина потерь (включая запас) не превышает динамический диапазон системы, т. е.:
Р - динамический диапазон PON, дБ;
РВЫХ min - минимальная выходная мощность передатчика OLT, дБм;
РВХ - допустимая мощность на входе приемника ONU, дБм;
АУ - суммарные потери в линии (между OLT и ONU), дБ;
РЗАП - эксплуатационный запас PON, дБ.
Эксплуатационный запас необходимо предусматривать на случай повреждений в линейном тракте, ухудшения условий передачи и дальнейшего развития сети. Обычно берется запас 3-4 дБ, но если на отдельных сегментах сети предполагается подключение значительного количества пользователей, то там запас должен быть явно больше.
Описанную последовательность расчетов лучше всего продемонстрировать на простом примере.
Пример 2. Определить параметры оптических разветвителей и произвести расчет оптического бюджета сети для проекта PON, представленного на следующем рисунке. Потери в разъемных соединениях принять AP = 0,3 дБ, потери на сварках - AС = 0,05 дБ, коэффициент затухания оптического кабеля - 0,35 дБ/км на длине волны 1310 нм и 0,22 дБ/км на длине волны 1550 нм. Длины участков: l1 = 4 км, l2 = 2 км, l3 = 2 км, l4 = 4 км, l5 = 6 км.
Произведем расчет потерь по приведенной выше формуле для каждой из трех цепей:
OLT-ONU1: А 1 = (6+2) км • a + 4 • АР + 2 • АС + АРАЗ-1 = 8 • 0,35 + 4 • 0,3 + 1 • 0,1 + АРАЗ-1 = = 4,1 + АРАЗ-1.
OLT-ONU2: А 2 = (6+4+2) км • a + 4 • АР + 4 • АС + АРАЗ-1 + АРАЗ-2 = 12 • 0,35 + 4 • 0,3 + 3 • 0,1 + АРАЗ-1 + АРАЗ-2 = 5,6 + АРАЗ-1 + АРАЗ-2.
OLT-ONU3: А 3 = (6+4+4) км • a + 4 • АР + 4 • АС + АРАЗ-1 + АРАЗ-2 = 14 • 0,4 + 4 • 0,3 + 3 • 0,1 + АРАЗ-1 + АРАЗ-2 = 6,3 + АРАЗ-1 + АРАЗ-2.
Примечание. В расчетах должно использоваться большее значение a из условия примера (0,35 дБ/км).
Начнем с дальнего конца и подберем коэффициент деления разветвителя S2. Разность потерь без учета разветвителей 6,3-5,6 = 0,7 дБ.
Из справочной таблицы, исходя из разности вносимых потерь между выходными портами, выберем наиболее близкое значение - 0,9 дБ, что соответствует коэффициенту деления 45/55.
Примечание. Не следует особо стремиться к более точному указанию коэффициента деления, например, 47/53. За счет значительного разброса параметров разветвителей вносимое затухание буде примерно такое же, как и при 45/55.
Из той же таблицы видно, что при направлении 45 % мощности к ONU2, вносимое затухание от S2 составит 4,1 дБ. К ONU3 будет направлено 55 % мощности, от S2 и вносимое затухание составит 3,2 дБ. Тогда:
OLT-ONU1: А 1 = 4,1 + АРАЗ-1.
OLT-ONU2: А 2 = 5,6 + АРАЗ-1 + 4,1 = 9,7 + АРАЗ-1.
OLT-ONU3: А 3 = 6,3 + АРАЗ-1 + 3,2 = 9,5 + АРАЗ-1.
Самая большая разность уровней - между первой и второй цепью: 9,7-4,1 = 5,6 дБ. Из справочной таблицы видим, что ближайшее значение разности вносимых потерь между выходными портами составит 5,4 дБ, что соответствует коэффициенту деления 25/75. Подставляя вносимые потери, соответственно 6,9 дБ и 1,5 дБ, получим:
OLT-ONU1: А 1 = 4,1 + 6,9 = 11,0 дБ;
OLT-ONU2: А 2 = 9,3 + 1,5 = 10,8 дБ;
OLT-ONU3: А 3 = 9,1 + 1,5 = 10,6 дБ.
Разность потерь между ближайшим и самым удаленным ONU составит:
DIF = А 1 - А 3 = 11,0-10,6 = 0,4 дБ < 8 дБ.
Таким образом, коэффициенты деления разветвителей S1 и S2 рассчитаны, а сеть можно считать сбалансированной, т.к. разброс между затуханиями цепей минимален.
Проверим, не превышает ли бюджета потерь, включая запас, динамический диапазон системы. Для оптических трансиверов (оптический передатчик - фотоприемник) систем PON класса С динамический диапазон составляет 29 дБ. Для проверки возьмем наихудшие условия по затуханию, в данном примере - для цепи OLT-ONU1 (11,0 дБ). С учетом запаса 3 дБ получим:
Р = 11,0 + 3 = 14,0 дБ < 29 дБ.
Если условие подтверждается для цепи с наибольшим затуханием - OLT-ONU1, следовательно, оно будет соблюдаться и для других вариантов цепей.
Примечание. В системах класса С+ или С++ динамический диапазон трансиверов несколько выше (32-35 дБ), но для расчета нужно знать конкретные значения мощности излучателей и чувствительности фотодетекторов OLT и ONU (См. статью на сайте "Оптические трансиверы повышенной мощности в PON").
Ради интереса можем проверить для приведенного примера вариант, когда вместо подбора разветвителей с оптимальным коэффициентом деления, используются равномерные разветвители 1:2 (50/50) с вносимыми потерями 3,6 дБ (см. Таблицу 2).
OLT-ONU1: А 1 = 4,1 + АРАЗ-1 = 4,1 + 3,6 = 7,8 дБ.
OLT-ONU2: А 2 = 5,6 + АРАЗ-1 + АРАЗ-2 = 5,6 + 3,6 + 3,6 = 12,8 дБ.
OLT-ONU3: А 3 = 6,3 + АРАЗ-1 + АРАЗ-2 = 6,3 + 3,6 + 3,6 = 13,5 дБ.
В этом случае в бюджет оптических потерь мы все равно укладываемся, но разность потерь будет значительно больше, хотя еще и не критическая.
Р = 13,5 + 3 = 16,5 дБ < 29 дБ.
DIF = А 1 - А 3 = 13,5-7,8 = 5,8 дБ < 8 дБ.
При больших длинах участков или большем количестве разветвителей разность была бы больше и могла бы вызвать сбои в работе PON.
Как видно из примера, задача расчета разветвителей и бюджета мощности не содержит сложных математических операций и может быть выполнена даже вручную. При расчете достаточно большой сети рекомендуем составить в MS Exel (или другом удобном приложении) табличку с расчетами всех составляющих по каждой оптической цепи.
Для дальнейшего расширения сети PON в оптических разветвителях, находящихся между кластерами, некоторые авторы рекомендуют оставлять свободные порты - так называемые "точки роста". Проблема в том, как выбрать процент мощности, отводящийся в этот резервный порт.
Если проектом определено количество пользователей сети на последующих этапах развития, то процент мощности рассчитывается также, как и в приведенном выше примере. Если же дальнейшие этапы развития по срокам и абонентам просматриваются достаточно смутно, то проще вообще обойтись без точек роста. Реальный опыт строительства показал, что значительно удобнее в кабеле резервное оптическое волокно до мест, где в дальнейшем возможно расширение сети. Это не слишком дорого, не требует каких-то предварительных условных расчетов и позволяет при необходимости быстро организовать дополнительные "ветки" сети.
В целом, проектирование сетей PON представляет собой задачу, требующую четкости принятия решений и аккуратности в расчетах, а не каких-то серьезных познаний в волоконной оптике. Смело беритесь за эту задачу, а технические специалисты компании DEPS помогут вам с ее решением на любом этапе.
Размещено на Allbest.ru
...Подобные документы
Принцип действия, архитектура и виды технологий пассивных оптических сетей (PON). Выбор трассы прокладки оптического кабеля, выбор и установка оборудования на центральном и терминальных узлах. Особенности строительства волоконно-оптических линий связи.
дипломная работа [5,7 M], добавлен 01.11.2013Методы измерения затухания одномодовых волоконных световодов. Основные характеристики оптических кабелей: затухание, дисперсия. Выбор структурной схемы фотоприемного измерительного блока для тестирования волоконно-оптических сетей доступа; расчет затрат.
дипломная работа [2,8 M], добавлен 06.04.2013Общее описание и назначение, функциональные особенности и структура пассивных компонентов волоконно-оптических линий связи: соединители и разветвители. Мультиплексоры и демультиплексоры. Делители оптической мощности, принцип их действия и значение.
реферат [24,9 K], добавлен 10.06.2011Общая характеристика цифровых сетей связи с применением волоконно-оптических кабелей. Возможности их применения. Разработка проекта для строительства волоконно-оптических линий связи на опорах существующей ВЛ 220 кВ. на участке ПС Восточная-ПС Заря.
курсовая работа [86,0 K], добавлен 25.04.2013История развития линий связи. Разновидности оптических кабелей связи. Оптические волокна и особенности их изготовления. Конструкции оптических кабелей. Основные требования к линиям связи. Направления развития и особенности применения волоконной оптики.
контрольная работа [29,1 K], добавлен 18.02.2012Принцип работы атмосферных оптических линий связи, область применения и потенциальные потребители. Преимущество атмосферных оптических линий связи. Системы активного оптического наведения. Поглощение светового потока видимого и инфракрасного диапазонов.
курсовая работа [27,7 K], добавлен 28.05.2014Особенности построения цифровой сети ОАО РЖД с использованием волоконно-оптических линий связи. Выбор технологии широкополосного доступа. Алгоритм линейного кодирования в системах ADSL. Расчет пропускной способности для проектируемой сети доступа.
дипломная работа [5,9 M], добавлен 30.08.2010Анализ существующей телефонной сети связи, оценка ее преимуществ и недостатков. Обоснование необходимости проектирования современного оборудования. Выбор типа кабеля и расчет его конструктивных, электрических и оптических характеристик, этапы прокладки.
дипломная работа [647,0 K], добавлен 13.12.2013Общие свойства оптоволоконных сетей, их назначение и применение. Расчет параметров оптических усилителей, предназначенных для усиления сигнала в составе волоконно-оптических линий связи, их характеристики и методы их оптимального функционирования.
дипломная работа [2,7 M], добавлен 19.11.2013Особенности оптических систем связи. Физические принципы формирования каналов утечки информации в волоконно-оптических линиях связи. Доказательства уязвимости ВОЛС. Методы защиты информации, передаваемой по ВОЛС - физические и криптографические.
курсовая работа [36,5 K], добавлен 11.01.2009Тенденции развития оптических сетей связи. Проблемы распространения света в оптическом волокне. Технологии широкополосного доступа ADSL и FTTХ. Исследование работы оборудования FTTB в одноволоконном режиме. Пути увеличения пропускной способности ВОЛС.
дипломная работа [1,1 M], добавлен 11.12.2015Элементы оптических систем. Оптическая система – совокупность оптических сред, разделенных оптическими поверхностями, которые ограничиваются диафрагмами. Преобразование световых пучков в оптической системе. Оптические среды. Оптические поверхности.
реферат [51,5 K], добавлен 20.01.2009Компоненты узлов оптических систем и их соединение. Сборка и юстировка оптических приборов. Материалы, применяемые для соединения. Оптические клеи и бальзамы. Технология соединения оптических деталей. Подготовка, сортировка и комплектация деталей.
реферат [24,2 K], добавлен 23.11.2008Материалы для изготовления оптических деталей, их оптические характеристики. Обработка деталей оптических приборов. Нормируемые показатели качества оптического стекла. Пороки стекла. Цветное оптическое стекло, его типы. Кварцевое оптическое стекло.
реферат [52,5 K], добавлен 22.11.2008Знакомство с методами и способами измерения затухания и оптической мощности волоконно-оптических линий связи. Способы проектирования и изготовления измерителя оптической мощности. Общая характеристика распространенных типов оптических интерфейсов.
курсовая работа [1,9 M], добавлен 19.03.2013Принцип работы оптического волокна, основанный на эффекте полного внутреннего отражения. Преимущества волоконно-оптических линий связи (ВОЛС), области их применения. Оптические волокна, используемые для построения ВОЛС, технология их изготовления.
реферат [195,9 K], добавлен 26.03.2019Анализ волоконно-оптических линий связи, используемых в ракетно-космической технике. Разработка экспериментального устройства, обеспечивающего автоматическую диагностику волоконно-оптического тракта приема и передачи информации в составе ракетоносителя.
дипломная работа [3,8 M], добавлен 29.06.2012Конструкция оптического волокна и расчет количества каналов по магистрали. Выбор топологий волоконно-оптических линий связи, типа и конструкции оптического кабеля, источника оптического излучения. Расчет потерь в линейном тракте и резервной мощности.
курсовая работа [693,4 K], добавлен 09.02.2011Общие сведения о радиорелейных и атмосферных оптических линиях связи, их сравнительная характеристика, оценка достоинств и недостатков практического использования. Методика расчета атмосферной оптической линии связи между двумя заданными точками.
курсовая работа [829,0 K], добавлен 09.12.2014Оптических система. Оптические характеристики приборов и деталей: вершинные фокусные расстояния, фокусные расстояния, рабочие расстояния. Обработка деталей оптических приборов. Определение фотографической разрешающей силы. Окуляр-микрометр. Коллиматор.
реферат [248,3 K], добавлен 22.11.2008
