Выбор оптического рефлектометра для тестирования сетей PON

Одной из характерных черт современного этапа развития информационных систем различного назначения, которая в своей законченной форме окончательно сформировалось в начале первого десятилетия нового века, стало массовое подключение к ним бытовых пользователей. Физическое предоставление телекоммуникационной части услуги этой разновидности осуществляется с помощью сетей доступа. Последние следует рассматривать как неотъемлемую составную часть сетей связи общего пользования, которая должна обеспечивать определенные качественные показатели в части быстродействия и вероятности ошибки.

Для сетей доступа характерны:

• скорости передачи по меньшей мере в десятки Мбит/с;
• малая по сравнению с офисами и большинством иных профессиональных областей плотность распределение конечных потребителей услуг (абонентов) на обслуживаемой территории;
• по меньшей мере на порядок большее по сравнению с локальными сетями расстояние между оконечным узлом оператора и абонентом.

В качестве иллюстрации последнего положения достаточно сослаться на статистические данные. Они указывают на то, что значение протяженности тракта сетей доступа для мегаполисов в большинстве случаев не превышает единиц километров. В сельской местности удаление от узла увеличивается, достигая в пределе примерно 40 км.

В таких условиях привлечение волоконно-оптической техники для организации информационного взаимодействия между оператором и пользователем телекоммуникационных услуг становится обязательным.

Сама сеть доступа может быть построена по-разному. Далее ограничимся случаем только популярного на практике варианта пассивной оптической сети PON. В ряде практически важных и значимых для бизнеса случаях PON демонстрирует серьезные преимущества перед классической Ethernet-сетью, что обеспечивает таким сетям широкое распространение.

Суть пассивной оптической сети заключается в доведении оптического кабеля от узла OLT оператора непосредственно до пользователя, где его волокно подключается прямо в абонентский терминал ONT без использования преобразователя среды.

Главные особенности сети PON

Рис. 1. Структура сети PON

С топологической точки зрения PON-сеть характеризуется тем, что

• одна исходящая от центрального узла OLT линия обслуживает большое количество (вплоть до 128) абонентских терминалов ONT;
• даже на начальных этапах развития сети и при нескольких десятках обслуживаемых пользователей применяется иерархическая звездообразная топология, Рис. 1.

В качестве средства перехода с одного уровня на другой задействован двунаправленный разветвитель (сплиттер) с коэффициентом деления от 2 до 64. Сплиттер выполнен как чисто пассивное устройство и не требует электропитания. Небольшие размеры и температурная стабильность качественных моделей этих элементов позволяет при необходимости размещать их непосредственно в муфте (т.н. сплиттерная муфта), что заметно упрощает развитие сети после сдачи ее в эксплуатацию. PON-сети – единственная область электросвязи, в которой эти компоненты находят массовое применение.

Таблица 1. Типовые значения потерь, сварных сплиттеров при различных коэффициентах ветвления

За счет распределения сигнала по нескольким направлениям любой сплиттер вносит в тракт передачи потери, определяемые как

A = 10 lg n+a₀ ,

где:

n – коэффициент ветвления,

a₀ – дополнительные потери за счет неидеальности конструкции.

Типовые значения потерь при различных n приведены в Таблице 1. Де-факто они намного превышают затухание в световодах, потери в разъемах, сварных сростках и т.д., являясь главным фактором ограничения предельной протяженности линии и максимального количества одновременно подключаемых к ней пользователей. Потери в полном тракте и отдельных его компонентах должны обязательно контролироваться инструментально на всех этапах создания и эксплуатации сети, а соблюдение норм на них является необходимым условием достижения заданного качества функционирования информационной системы в целом

В линейной части физического уровня на всех ступенях иерархии PON-сети из соображений унификации задействуются кабели со стандартными по рекомендации G.652 одномодовыми волоконными световодами.

Информационное взаимодействие с абонентом построено на комбинации спектрального и временного мультиплексирования. Сеть PON вне зависимости от ее применения использует оптические несущие типовых спектральных диапазонов одномодовых волоконно-оптических линий: 1310 и 1550 нм. Простота их разделения оптическими фильтрами позволяет перейти на одноволоконное исполнение трактов, т.е. заметно улучшить экономические параметры решения в целом, снизив капитальные затраты оператора на реализацию сети. Каждому абоненту выделяется один или несколько временных канальных интервалов группового сигнала.

Мультисервисный характер сетей PON позволяет заметно расширить перечень предоставляемых информационных услуг. Например, наряду с Интернет и телефонией можно обеспечить подключение к кабельному телевидению. С учетом практической популярности последней услуги и соображений унификации для подключения используются разъемы с угловой APC-полировкой.

Метод обратного рассеяния

Рис. 2. Рассеяние и отражение в волоконном световоде

Аналогично ряду иных современных сетей связи PON строится на основе известной иерархической модели информационных систем, каждая ступень которой должна функционировать с определенным качеством. На физическом уровне пассивных сетей это обеспечивается инструментальным контролем общего затухания IL и обратных отражений RL. Выполнение норм в части широкополосности (дисперсионных искажений) гарантируется применением соответствующей элементной базы и соблюдением ограничений по максимальной протяженности линий.

В процессе проведения измерений фактических величин IL и RL используется комплекс взаимно дополняющих друг друга приборов. Наибольший объем информации о характеристиках всего оптического тракта и образующих его отдельных компонентах предоставляет оптический рефлектометр OTDR (OTDR – англоязычная аббревиатура названия оптического рефлектометра во временной области. Наряду с ним существуют другие типы устройств, использующие сходный принцип (например, бриллюэновский, корреляционный), но доминирующее положение в практике построения и эксплуатации оптических сетей занимают рефлектометры во временной области. С учетом этой особенности их часто называют просто рефлектометром.).

Суть оптической рефлектометрии заключается в зондировании тестируемого тракта мощными импульсами оптического излучения. За счет:

• локальных флуктуаций показателя преломления, неизбежно присутствующих в стекле и определяющих рассеяние;
• наличия отражений от любой френелевской неоднородности световод всегда реагирует на входное воздействие откликом в виде обратного потока энергии. В схематической форме эти процессы представлены на Рис. 2. На обратный поток в процессе проведения рефлектометрии возлагаются функции тестового сигнала. Обработка отклика волокна на него позволяет получить такую важную для практики информацию как распределение затухания вдоль всего контролируемого тракта.

Функцию численной меры интенсивности обратного расстояния выполняет коэффициент обратного рассеяния k_bs = 10 lg (P_bs / P₀) , отражения – параметр RL = 10 lg (P_r / P₀) , где P_bs – мощность потока рассеяния, P_r – отраженного потока; P₀ – мощность зондирующего (порождающего) сигнала.

Метод относится к неразрушающим. Его наиболее сильные стороны – возможность проводить все измерения с одного конца линии, а также дистанционного определения параметров затухания и обратного рассеяния отдельных компонентов, последовательное соединение которых образует тракт передачи оптического сигнала от разъема до разъема активного сетевого оборудования. Рефлектометр также указывает места расположения неоднородностей и позволяет выявить их природу.

У оптической рефлектометрии имеется два основных ограничения. Из-за малого коэффициента обратного рассеяния получение качественной рефлектограммы в реальном масштабе времени невозможно. Для ее формирования требуется как минимум несколько десятков секунд, которые затрачиваются на накопление отдельных отсчетов и их последующее усреднение с целью подавления шумов.

Необходимо считаться также со сложностью точного определения фактического затухания сигнала от разъема до разъема активного оптического оборудования (возможна не более чем оценка этого параметра).

Особенности рефлектометров для сетей PON

С целью расширения функциональных возможностей рефлектометрического метода измерений ввод излучения в тестируемый тракт целесообразно осуществлять через дополнительную нормализующую катушку с волокном длиной от 100 до 500 м. Это позволяет определить потери на вводе и выявить дефекты, находящиеся непосредственно возле входного разъема. Аналогичная удлиняющая катушка, которая включается на выходе тракта, дает возможность довольно точно оценить потери в оконечном разъеме.

Рис. 3 Основные типы событий, регистрируемые оптическим рефлектометром OTDR:

а) неотражающее (сварной сросток или механический сплайс) при условии k_bs1 ≈  k_bs2; б) неотражающее при условии k_bs1 < k_bs2; в) отражающее (разъемный соединитель); г) концевой разъемный соединитель с обычной полировкой; д) концевой разъемный соединитель с APC-полировкой.

Рабочие длины волн обычного PON-рефлектометра совпадают с рабочими длинами волн сетевых интерфейсов. Эта особенность исключает проведение измерений на действующей линии из-за того, что сигнал интерфейса полностью подавляет слабый сигнал обратного рассеяния. Для устранения этого препятствия при оперативном контроле целесообразно осуществлять зондирование линии на длине волны 1625 нм, которая:

• позволяет надежно отделять его от излучения с длиной волны 1550 нм применением соответствующего встроенного фильтра;
• за счет естественного увеличения диаметра модового поля по сравнению с диапазоном 1310 нм и связанной с этим высокой чувствительностью к макроизгибным потерям обеспечивает надежное выявление изгибов с малым радиусом.

Типовой режим работы PON-рефлектометра – получение в одном цикле измерений рефлектограмм на обеих длинах волн 1310 и 1550 нм и их совмещение на экране. Сравнение двух диаграмм позволяет сразу же выявить и классифицировать некоторые дополнительные события. Например, на Рис. 3 четко виден изгиб волокон с недопустимо малым радиусом (событие А).

С учетом характерной для PON-сетей работы в полевых условиях рефлектометр целесообразно создавать по схеме “все в одном”, т.е. он должен позволять (штатно или на уровне опции) установку таких дополнительных блоков как:

• визуализатор дефектов;
• измеритель мощности оптического излучения;
• вход для подключения оптического микроскопа.

Не лишней будет также возможность подключения прибора к интернету для оперативной диагностики, удаленной загрузки свежих версий ПО, дистанционного управления, обмена полученными данными и аналогичными им.

Характеристика обратного рассеяния и регистрируемые события

Измеряемая рефлектометром характеристика обратного рассеяния идеального тракта на основании закона Бера представляет собой экспоненту с отрицательным показателем. Для удобства ее анализа перед выводом на индикатор полученную кривую логарифмируют, в результате чего она приобретает вид прямой линии, угол наклона которой к оси абсцисс пропорционален коэффициенту затухания (Регистрируемая характеристика имеет двойную крутизну наклона из-за того, что сигнал проходит один и тот же участок волокна дважды: сначала в прямом направлении, а потом в обратном. Данная особенность учитывается при обработке и на индикаторе после соответствующей коррекции отображается характеристика с одинарным наклоном).

Рис.4. Совмещение рефлектограмм и выявление макроизгибов

Любая неоднородность пути распространения оптического сигнала нарушает гладкость характеристики и считается событием. Типовые события, регистрируемые PON-рефлектометром, в схематической форме представлены на Рис. 3.

Потери на событии определяются по перепаду уровней сигналов на входе и выходе, параметр RL фиксируется при наличии выброса (отражение мощнее обратного рассеяния) – по амплитуде выброса сигнала, что показано на Рис. 3в и Рис. 3г.

При определении затухания важно, чтобы для коэффициентов рассеяния сращиваемых световодов выполнялось условие k_bs1 ≈ k_bs2 . Большая разница этих коэффициентов может привести к появлению ступеньки вверх, что показывает Рис. 3б. С учетом подобной особенности при определении затухания на событии необходимо проводить измерения в двух направлениях и за величину потерь брать полусумму измеренных затуханий.

Конец линии фиксируют по горизонтальному участку характеристики. Она может быть как зашумленной Рис. 3г, так и гладкой Рис. 3д. Зашумленный участок коррелирует с выбросом отражения, гладкий – с его отсутствием.

Довольно часто встречающиеся на обычных линиях так называемые фантомы, определяемые многократным переотражением зондирующих импульсов от оконечных разъемов, маловероятны из-за широкого использования в PON-сетях APC-коннекторов. Последние даже в разомкнутом состоянии дают слабое обратное отражение, которое в силу своей малости не в состоянии сформировать ложный отклик на дисплее рефлектометра.

Требования к оптическому бюджету и разрешающей способности
рефлектометра

Оптический рефлектометр должен уверенно контролировать сеть максимальной протяженности. Затухание сигнала в типовой трехуровневой сети с коэффициентом деления 128, сформированной, например, по схеме 8 × 8 × 2, складываются преимущественно из потерь в:

• сплиттерах, которые на основании таблице 1 могут достигать 11,4 дБ;
• собственно волокне (0,38 дБ/км на длине волны 1310 нм и 0,22 дБ/км на длине волны 1550 нм);
• разъемных соединителях порядка 0,4 – 0,5 дБ на разъем;
• сростках по 0,05 дБ на соединение через каждые 2 км.

Необходимость тщательного учета потерь в волокне начинает значимо сказываться при расстояниях порядка 10 км и более. Для 30-километровых линий при длине волны 1310 нм они могут достигать 12 дБ. Общие потери в сварных сростках и разъемах на таких длинах обычно составляют единицы дБ.

Рис. 5. Схематический вид рефлектограмм трехуровневой PON-сети, фиксируемых рефлектометрами с различным динамическим диапазоном: вверху – динамический диапазон 40 дБ, снизу – 25 дБ.

Из приведенных оценок прямо вытекает, что оптический рефлектометр в общем случае должен иметь динамический диапазон по меньшей мере 35 дБ на обеих рабочих длинах волн. С этой оценкой хорошо согласуется предельный бюджет оптических интерфейсов группового и пользовательского оборудования (OLT и ONT, соответственно), который обычно составляет 30 – 35 дБ и может в незначительных пределах варьироваться в зависимости от модели и производителя.

В качестве иллюстрации важности положения о выборе правильного значения динамического диапазона сошлемся на схемы Рис. 5. Если при высоком значении этого параметра получается качественная рефлектограмма, то во втором случае невозможно как определение общей протяженности линии, так и потерь на втором сплиттере.

В тех ситуациях, когда сеть имеет низкий коэффициент ветвления, допустимо смягчить требования к динамическому диапазону, но не более чем на 10 дБ.

Оптимальной длительностью зондирующего импульса считается 1 мкс. Работа в таком режиме позволяет:

• уверенно выявлять и визуально интерпретировать все виды типовых событий с расстоянием между ними примерно от 150 м и более;
• обеспечивать требуемую фокусной областью применения техники PON дальность действия вплоть до 50 км;
• сокращает время накопления данных на относительно простых трактах при получении достаточно качественной рефлектограммы до сравнительно комфортных 30 с (степень “зашумленности” рефлектограммы падает по закону корня квадратного от времени измерений, поэтому наращивание этого параметра дает относительно небольшой эффект.).

В районах плотной городской застройки популярно каскадное включение сплиттеров, длина соединительного волокна между которыми составляет несколько метров. Для надежного разделения событий, которые соответствуют таким расстояниям, длительность импульса в режиме максимального разрешения должна составлять не более 5 – 10 нс.

Конструктивные особенности PON-рефлектометров

Промышленность выпускает широкую номенклатуру рефлектометров, которые могут быть использованы при строительстве и эксплуатации сетей PON. Жесткая конкуренция на рынке между многочисленными производителями и возможность выбора из широкой линейки предложения позволяет остановиться на той модели прибора, которая наилучшим образом соответствует области деятельности и бизнес-модели организации.

Доступность современной элементной базы, а также наличие у бортового компьютера запасов по вычислительным ресурсам позволяет добиться предельной дружественности к пользователю даже среднего уровня профессиональной квалификации. Для этого задействованы следующие типовые приемы:

• использование интуитивно понятного интерфейса и меню на русском языке;
• применение минимального количества органов управления;
• использование антибликового экрана;
• высокая механизация процессов измерения и интерпретации результатов с представлением перечня выявленных событий в табличной форме;
• возможность работы в течение полного рабочего дня без подзарядки аккумулятора;
• наличие внутренней памяти для хранения нескольких тысяч рефлектограмм.

В качестве средства отображения данных применяют цветные дисплеи высокого разрешения с различной диагональю. Максимальное время формирования рефлектограммы составляет 3 минуты.

В качестве средства управления используют сенсорные экраны и многофункциональную клавиатуру.

Основные параметры доступных устройств с разделением на модели старшего, базового и младшего классов представлены в таблице 2. В качестве критериев для отнесения устройства к старшему классу использован динамический диапазон не хуже 35 дБ, возможность работы на длине волны 1625 нм и объем выполняемых им функций. К базовому классу отнесены двухволновые модели с динамическим диапазоном порядка 33 – 37/30 – 35 дБ, рефлектометры с динамическим диапазоном около 30 дБ считаются относящимися к младшему классу.

Таблица 2. Параметры современных рефлектометров для тестирования сетей PON

Отдельно укажем на то, что старшие модели PON-рефлектометров за счет большого диапазона регулировки длительности зондирующих импульсов при необходимости можно привлекать для тестирования обычных линий без сплиттеров при протяженности вплоть до 260 км.

Заключение

• При строительстве и эксплуатации масштабных сетей PON безусловно необходим 2-волновой рефлектометр с большим (33 дБ и более) динамическим диапазоном. Снижение динамического диапазона до 30 дБ допустимо только для бюджетных моделей младшего класса, предназначенных для использования максимум в двухуровневых в сетях с коэффициентом ветвления не более 32.
• PON-устройства обычным образом реализует метод обратного рассеяния, а анализ рефлектограммы осуществляется традиционными способами и средствами.
• Рефлектометрия сетей PON несколько упрощается малой вероятностью появления фантомов из-за массового применения в таких сетях APC-разъемов.
• Старшие модели рефлектометров за счет дополнительного порта с рабочей длиной волны 1625 нм способны вести эффективный мониторинг текущего состояния PON-сети, находящейся в режиме нормальной эксплуатации.
• Широта предложения рефлектометрической техники на рынке позволяет выбрать то устройство, которое по критерию стоимость/функциональные возможности наилучшим образом соответствует комплексу требований потребителя к тестирующим устройствам для PON-сетей.