Измерение пассивных оптических сетей(PON)

В предыдущих статьях мы уже познакомились с технологией PON, её особенностями, принципами работы, преимуществами перед классическими FTTx сетями, а также возможными топологическими решениями, которые применяются при строительстве пассивных сетей.

Теперь настало время рассказать читателям о процессах измерения и тестирования PON сетей, и о тех «подводных камнях», которые им могут встретиться. Казалось бы, технология PON является разновидностью FTTx, поэтому измерения в ней производятся аналогично, однако, благодаря некоторым существенным отличиям (использование древовидной топологии (point-to-multipoint) и технологии временного мультиплексирования (TDM)) в пассивных сетях применяются немного другие схемы и принципы измерений.

В данной статье мы рассмотрим основные вопросы измерения PON, которые могут возникнуть у инсталлятора сети при её строительстве и эксплуатации.

1. Какие показатели оптической линии необходимо измерять?

В оптических сетях существует большое количество паразитных явлений, ухудшающих качество передачи, однако особое влияние имеют лишь 4 из них: затухание, возвратные потери, дисперсия и вынужденное неупругое рассеяние.

Затухание — потеря мощности светового сигнала в процессе распространения по оптоволокну. В обычных сетях потеря мощности происходит, в основном, на сварных и механических соединениях, а также из-за явления рассеяния света при попадании световой волны на примеси в волокне. В пассивных сетях основным источником потерь являются сплиттера (> 20dB), поэтому даже при большом оптическом бюджете в 30dB PON сети имеют запас оптического бюджета менее 10dB.

Рисунок 1.1 — Влияние затухания на форму сигнала

Возвратные потери (ORL — Optical Return Loss) — потеря мощности сигнала за счёт отражения от механических и не качественных сварных соединений. При прохождении света через такие соединения часть светового потока отражается обратно в линию, ухудшая качество передачи.

Примечание: 1) ORL определяется как логарифмическое отношение мощности базового сигнала к мощности отражённого, поэтому чем показатель ORL выше, тем лучше. 2) Отражённый сигнал можно уменьшить, используя коннекторы с другим типом полировки. Обычные коннекторы с UPC полировкой имеют значения ORL около 50..55dB. При использовании APC коннекторов ORL увеличивается до 65..70dB.

Показатель ORL, наряду с затуханием, характеризует качество оптической линии. Тем не менее, отражённый сигнал сильно влияет только на качество передачи аналогового TV сигнала (особенно, если он имеет амплитудную модуляцию). Если же в сети PON не планируется передача CATV, то измерение ORL можно опустить.

Дисперсия — «размытие» формы светового импульса и уменьшение его амплитуды в процессе распространения по оптоволокну. Дисперсия приводит к наложению импульсов друг на друга и увеличению количества ошибок при приёме сигнала. Данное явление возникает из-за того, что излучение лазера имеет несколько спектральных составляющих, распространя-ющихся по волокну с разной скоростью.  Однако дисперсии стоит опасаться на длинных трассах (более 100 км) при большой скорости передачи (10G 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..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).

Рисунок 1.3 — SRS и SBS

В сети PON эффект SRS можно не рассматривать вообще, а эффекта SBS стоит опасаться только при добавлении в PON сеть кабельного телевидения, т.к. средняя мощность CATV сигнала после усилителя ~18..20dBm. Однако, 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 2 показателями: затуханием в линии и возвратными потерями (если в сети передаётся CATV сигнал).

2. Как выбрать подходящее измерительное оборудование для PON?

В этом разделе мы не будем рассматривать применение и принципы действия измерительного оборудования, т.к. читатель должен быть с ними знаком, — мы лишь перечислим важные характеристики, на которые нужно обратить внимание при выборе того или иного прибора.

Оптический измеритель мощности (Optical Power Meter — OPM) и Стабилизированный источник света (Stabilized Light Source — SLS) — самые распространённые измерительные приборы, которые подходят как для FTTx, так и для PON сетей. При выборе SLS и OPM нужно обратить внимание, чтобы они «умели» работать на длинах волн 1310, 1550 и 1625nm (опционально). Также стоит удостовериться, что OPM способен стабильно измерять сигнал в диапазоне -40..20dB (Верхняя граница диапазона обусловлена необходимостью измерять мощность CATV сигнала на выходе усилителя; нижняя граница определяется, исходя из мощности лазера SLS (-7..-5dB) и максимального затухания в PON сети (~30dB)).

Анализатор затухания (Optical Loss Test Set — OLTS). Представляет собой комплект, состоящий из измерителя мощности (OPM) и источника излучения (SLS). Большинство 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). Кроме того, современные модели OLTS снабжаются визуальным дефектоскопом и модулем для измерения ORL, что увеличивает их функциональность.

Оптический рефлектометр (Optical Time Domain Reflectometer — OTDR). Один из самых востребованных приборов для диагностики сетей. Имея доступ к одному концу волокна, рефлектометр может построить график распределения мощности сигнала по оптической линии — рефлектограмму. Анализ рефлектограммы позволяет определить все необходимые параметры линии (погонные затухания волокна, потери мощности между узлами сети и возвратные потери), а также быстро и точно локализовать обрывы и другие дефекты волокна.

Одной из важнейших характеристик OTDR является динамический диапазон (dB). Он определяет, насколько может затухнуть сигнал к концу линии, чтобы рассеяние от этого сигнала было корректно дектировано фотоприёмников рефлектометра. Если перед инсталлятором стоит задача просветить небольшой участок сети, то подойдут OTDR с динамическим диапазоном ~30dB; если же надо просветить дерево PON целиком, то стоит выбирать рефлектометр с динамическим диапазоном не менее 35dB (лучше 38..40dB).

Также одной из важных характеристик рефлектометра является ширина импульса (ns), т.к. она определяет грань между точностью и дальностью измерений (динамическим диапазоном). Чем короче импульс, тем точнее рефлектограмма, но тем меньше динамический диапазон. И наоборот, чем шире импульс, тем больше динамический диапазон, но тем меньше детализация рефлектограммы. Хороший OTDR может излучать импульсы шириной от 5 до 20000ns.

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.

Таким образом, если перед инсталлятором стоит задача снять рефлектограмму с небольшого участка сети (например, между 2 сплиттерами), то стоит обращать внимание на OTDR с минимальной шириной импульса ~5..10ns для максимальной детализации рефлектограммы. Если же необходимо снять рефлектограмму между оконечными узлами сети (между OLT и ONU), то нужен OTDR с большим динамическим диапазоном (≥ 35dB).

Желательно, чтобы рефлектометр, помимо стандартных длин волн 1310 и 1550nm, «умел» снимать характеристики линии на длине волны 1625nm (на данной длине волны можно проводить диагностику «живой» сети и более точно детектировать дефекты волокна).

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.

Основной характеристикой измерителя ORL являются рабочий диапазон (dB). 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 измеренеия PON сети?

Измерения и тестирование любой оптической сети, в том числе и PON, можно разделить на 4 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 узлами сети, а также возвратные потери (ORL).

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).

Рис 3.1 Пример подключения SLS + OPM

Более рациональным решением является приобретение 2 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.

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 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.

Рисунок 3.3 Подключение OPM через CWDM колбу

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 3 длинах волн (1310, 1490 и 1550nm), внося при этом минимальные (<1.5dB) затухания в линию.

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 рефлектогрыммы 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. Для сохранения детализации ширина импульса должна быть не 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 в сторону ONU 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.
• На каких длинах волн нужно снимать рефлектограмму? Рефлектограмму лучше делать на 3 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 бо́льшая 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 входе и выходе каждого абонентского узла.
• Если хотя бы одно измерение даст результат, отличный от проектных расчётов, измерения продолжатся уже «внутри» сети, а не только в оконечных 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 2 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 передачи данных, поэтому остаётся использовать резервную длину волны 1550nm. Чтобы ввести резервный сигнал из SLS в волокно и вывести его из волокна на OPM, достаточно использовать 2 CWDM колбы (одну на передающей и одну на приёмной стороне). Аналогично можно подключить рефлектометр.

Рисунок 3.6 Пример измерений без разрыва связи

Если в сети передаётся CATV сигнал (т.е. длина волны 1550nm занята), то для измерений PON используется длина волны 1625nm (о которой столько упоминалось ранее). Именно поэтому желательно приобретать SLS, OPM и OTDR, способные работать с этой длиной волны.

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 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.

Примечание: PON-измеритель необходимо подключать непосредственно к выходу ONU; если PON-измеритель включить в середине линии, то будет невозможно отследить мощность сигнала от конкретной ONU.