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 данной статье 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 (~30dB), 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 30dB имеет запас мощности всего 3dB (в некоторых случаях ещё меньше).
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..55dB. При использовании коннекторов с APC полировкой ORL увеличивается до 65..70dB.
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.
Вынужденное неупругое рассеяние. Различают Рамановское (SRS) и Бриллюэновское (SBS) рассеяния. Суть данных явлений заключается в том, что при большой плотности мощности одиночного сигнала (~10..20dBm для SBS и ~30..40dBm для SRS) происходит искажение коэффициента преломления волокна, в результате чего в месте искажения формируются встречные (стоксовые) и сонаправленные (антистоксовые) сигналы на смежных длинах волн (λ±Δλ).
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..20dBm). 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 +20dBm на длинах волн 1310, 1490, 1550 и 1625nm (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..-7dBm, поэтому для измерения затухания между оконечными оптическими узлами SLS должен работать в паре с OPM, который способен измерять сигнал до -40dBm. Все SLS «умеют» работать на длинах волн 1310 и 1550nm, что является достаточным для PON сети. Тем не менее существуют модели с поддержкой длины волны 1625nm (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 (~650nm). 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 ~650nm 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..10dBm.
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 1550nm). Тем не менее OTDR, способный также работать на длине волны 1625nm, 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 ~30dB; если же надо просветить всё дерево PON целиком, то стоит выбирать рефлектометр с динамическим диапазоном не менее 35dB (лучше 38-40dB).
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 1550nm), более дорогие также работают на длине волны 1625nm. Диапазон ORL для обычных измерителей составляет ~50dB, что соответствует отражению от UPC коннектора. Если же необходимо измерять самые слабые отражённые сигналы (от APC коннекторов), то диапазон ORL должен быть не ниже 60dB.
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).
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 1490nm) или передатчик TV трансмиттера (1550nm). 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.
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 1490nm). Проблемы появляются, если в сети помимо Интернета присутствует CATV сигнал на длине волны 1550nm. 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 1550nm), внося при этом минимальные (<1.5dB) затухания в линию. Другая особенность данного измерителя будет описана ниже.
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».
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..40dB).
- 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 1625nm). Длины волн 1310 и 1550nm используются для того, чтобы получить более точное представление о характере неоднородности в оптическом волокне (например, на длине волны 1550nm происходит большая потеря мощности сигнала на макроизгибах волокна, чем на 1310nm). Длина волны 1625nm 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 1490nm 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 1625nm (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.
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».
Решить эту проблему позволит упомянутый ранее проходной PON-измеритель (Рисунок 3.7 в). На длине волны 1490 и 1550nm он работает как обычный измеритель мощности, но на длине волны 1310nm он работает в импульсном режиме, т.е. измеряет пиковую амплитуду сигнала, что позволяет корректно определять мощность передатчика ONU.
