5.3. Методы определения стойкости оптического кабеля
Появление повреждений в оптическом кабеле является медленным во времени процессом. За определѐнный промежуток времени проблему можно не только обнаружить, но и устранить еѐ, имея соответствующее измерительное оборудование. Обычные оптические рефлектометры не в состоянии определить натяжение волокна, поскольку величина оптических потерь при возникновении напряжений в световоде, как правило, остается в пределах нормы вплоть до момента наступления необратимых изменений в нем. Повышенное натяжение волокна в кабеле вызывает деградацию его прочностных характеристик, что в конечном итоге приводит к разрыву волокна. Даже незначительное увеличение натяжения волокна может привести к многократному уменьшению его срока службы. Вне зависимости от вида конфигурации кабель в испытании постепенно растягивают, контролируя его удлинение и натяжение. Существенные различия в методах испытаний наступают лишь при выборе способа регистрации удлинения волокна (независимо от геометрической конфигурации испытательного стенда). Первый способ состоит в измерении прироста затухания волокна в кабеле, при этом предполагается, что натяжение волокна сопровождается таким приростом. Этот метод, определения момента начала натяжения волокна,
неточный и зависит от конструкции кабеля и устройства, применяемого для его растяжения. Так, при испытании кабеля с центральной трубкой вообще непонятно, почему должен возникать прирост затухания, если не принимать во внимание краевые эффекты. Для продольно натянутого волокна, не касающегося стенок кабеля, нет прямых механизмов формирования прироста затухания. Второй метод–метод фазового сдвига, а по существу метод регистрации времени распространения световых импульсов в растягиваемом волокне, логически безупречен. В момент появления растяжения волокна в растягиваемом кабеле оптическая длина пути для световых импульсов начинает расти, время их распространения возрастает, что и регистрирует прибор. Но в реальной ситуации размеры стенда ограничены, прибор регистрирует аккумулированный эффект по длине как натянутого волокна, так и в переходной области, где натяжение плавно возрастает. Более того, в случае сварки нескольких волокон испытываемого кабеля в шлейф возникает дополнительная неопределенность, связанная с возможным разбросом избыточных длин разных волокон. Понятно, что уровень удлинения волокна, обнаруженный таким методом, носит усредненный характер с мало предсказуемым уровнем ошибки.
6. Заключение
Оптическое волокно произвело революцию в области передачи информации. Сети операторов связи постоянно расширяются за счет подключения новых кабелей. Вместе с тем, возникает необходимость более простого, быстрого и эффективного обслуживания сетей, что, в свою очередь, повышает требования к диагностическому оборудованию. Сегодня потребителю предлагается широчайший выбор диагностического оборудования, которое имеет множество всевозможных функций. В таких условиях очень трудно сделать правильный выбор. Неправильное решение может обернуться лишними расходами, дополнительным простоем системы и многими потерянными человеко-часами. В этой связи авторы надеются, что рекомендации настоящей монографии могут быть полезными как на этапе проектирования, так и во время строительства и эксплуатации распределенных волоконно-оптических систем.
Важным и перспективным направлением в области оптической связи является мониторинг и ранняя диагностика волоконно-оптических сетей. Эти вопросы больше относятся к области специальных исследований. Тем не менее, они тоже вошли в данную монографию по методам измерения параметров оптических линий передачи.
301
Использование автоматизированной системы администрирования ВОК позволяет обеспечить автоматическое обнаружение, точную локализацию и индикацию на географической карте возникшей неисправности ВОЛС, немедленное проведение восстановительных работ и минимизировать время устранения нарушений оптических кабелей.
Применение бриллюэновского рефлектометра при испытаниях на стойкость кабеля к растягивающим нагрузкам позволяет прогнозировать параметры надежности кабеля даже для случая, когда к волокну прикладываются кратковременные растягивающие нагрузки при прокладке.
Литература
1.Baklanov I.G. Measurement methods in communication systems–M: Eco-Trendz, 1999-196 p.:ill.
2.Baklanov I.G. Testing and diagnosis of communication systems–M: Eco-Trendz, 2001-268 p.:ill.
3.Burdin V.A. Measurements on fiber optic links by backscattering. Theory, exercises. Laboratory practice: A manual for schools.–Samara, PIIRS, 1996-117 p.:ill.
4.Fiber optic transmission line. Methods and means of measuring their parameters/N.I. Gorlov, Rempel R.V., Tatarkina O.A., Tcherkashin V.K.–Novosibirsk, 2005.–26s.:ill.
5.N.I. Gorlov, Minin E.A. Methods and equipment for measuring the parameters of systems and communication devices in the optical range: Textbook SibSUTI, Novosibirsk, 2004g.–311s.:ill.
Зуева Ирина Владимировна
Бакалавр (3 год обучения), кафедра сети связи и системы коммутации, СибГУТИ, (630102, Новосибирск, ул. Кирова, 86) тел. 8-919-330-88-78,e-mail:zuevaiw@mail.ru
Monitoring branched optical networks.
I.V. Zueva
In this paper the structure of monitoring and its components–methods of testing of optical fiber OTDR, prediction and control of OK maintenance work and methods for determining the resistance.
Keywords: monitoring, optical fiber, OTDR
302
Архитектура и основные функции системы мониторинга RFTS
А.М. Кабышева
В данной статье рассматривается система непрерывного мониторинга оптических волокон RFTS, позволяющая оперативно локализовать неполадки и деградации волокна. Рассмотрена архитектура системы, требования к ней, основные задачи и функции.
Ключевые слова: оптическое волокно, система мониторинга RFTS, оптический рефлектометр, блоки дистанционного тестирования волокон RTU, станции контроля сети
ONT.
1. Введение
Проблема надежности ВОЛС охватывает широкий круг вопросов и по своей сути является комплексной. Ее решение требует применения соответствующих методик оценки, расчета и контроля различных параметров оптических кабелей (ОК) и показателей надежности ВОЛС. Надежность ВОЛС зависит от различных конструктивно- производственных и эксплуатационных факторов. К первым относят факторы, связанные с разработкой, проектированием и изготовлением ОК и других вспомогательных изделий и устройств, входящих в состав ВОЛС. Ко вторым - все факторы, влияющие на надежность ОК в процессе его прокладки, монтажа и последующей эксплуатации [6].
Одним из основных эксплуатационных факторов, позволяющих прогнозировать ухудшение характеристик оптических волокон и обеспечивать требуемый уровень надежности ВОЛС, является непрерывный мониторинг ОК ВОЛС. При этом системы мониторинга ОК ВОЛС должны предусматриваться уже на этапе планирования и проектирования современных цифровых сетей связи [2]. Это особенно важно и актуально для ВОЛС на воздушных линиях электропередачи (ВОЛС-ВЛ), применяемых при создании больших корпоративных сетей связи крупными энергокомпаниями. Такие ВОЛС-ВЛ имеют очень высокую надежность, но при этом в случае аварии требуют значительных затрат времени и материально-технических ресурсов на проведение аварийно-восстановительных работ [7].
Одна из важнейших задач - поддержание характеристик волокна на надлежащем уровне. Именно поэтому системы непрерывного мониторинга оптических волокон в ОК ВОЛС приобретают особую значимость при построении современных цифровых мультисервисных сетей.
2. RFTS как система мониторинга ВОЛС
Наиболее эффективно данная задача решается с помощью автоматизированных систем администрирования волоконно-оптических кабелей, включающих систему удаленного контроля оптических волокон (Remote Fiber Test System — RFTS), программу привязки топологии сети к географической карте местности, а так же базы данных оптических компонентов, критериев и результатов контроля. При этом удаленный контроль оптических волокон выполняется с помощью оптических импульсных рефлектометров (Optical Time Domain Reflectometer — OTDR) осуществляющих диагностирование волокон по обратному
303
рассеиванию световой волны распространяющейся в пассивном или активном волокне оптического кабеля.
В первом случае производится контроль не предназначенного для передачи данных резервного оптического волокна, по результату которого судят об исправности всего кабеля, что не требует модификации действующих систем оптической связи. Во втором случае тестируется волокно, по которому производится передача данных. Для этого, в линию связи вводится оптическое излучение длиной волны отличной от длины волны используемой для передачи данных, а на приемной стороне производится разделение этих волн. Как известно, данный принцип может использоваться как для одного волокна, так и для всех волокон контролируемого кабеля и требует введения в систему оптической связи дополнительных компонентов.
Независимо от метода контроля оптических волокон, система должна обеспечивать:
-дистанционный автоматический контроль пассивных и активных оптических волокон кабелей;
-автоматическое обнаружение неисправности ВОЛС с указанием ее
точного местоположения на основе сравнения текущих и эталонных результатов измерения параметров ВОЛС;
-проведение измерений параметров оптических волокон в ручном режиме по запросу оператора системы;
-различные способы оповещения персонала о повреждении оптических
кабелей (визуальная и звуковая сигнализация, автоматическая рассылка сообщений на пейджер, по заданным адресам электронной почты, по факсу);
-автоматический анализ изменения параметров оптических волокон во времени на основе накапливаемых в процессе мониторинга данных;
-для обеспечения функции управления процессом инсталляции ВОК
должен быть предусмотрен удаленный доступ к системе по различным каналам связи с использованием портативного компьютера или рефлектометра со специальной функцией удаленного доступа;
-совместимость с Bellcore форматом хранения рефлектограмм. Эта
функция предназначена для возможности загрузки в систему данных измерений, произведенных на сети с помощью рефлектометров различных фирм-производителей.
Система должна иметь возможность интеграции в общую сеть управления телекоммуникациями (TMN) сети связи оператора.
Такие системы - системы дистанционного тестирования волокон RFTS в настоящее время выпускаются рядом зарубежных компаний. Однако для практического применения подобных систем при построении больших протяженных сетей связи требуется серьезный сравнительный анализ возможностей различных систем RFTS и изучение проблемы их интеграции с системами информационной поддержки и управления такими сетями. [8].
3. Архитектура системы RFTS
Все системы RFTS, как правило, строятся по одной и той же схеме (см. рисунок 1). При этом выделяют следующие функциональные элементы и устройства:
-аппаратную часть;
-систему управления;
а также интегрированные элементы:
-геоинформационную систему (ГИС) привязки топологии сети к карте местности;
-базы данных ОК, оборудования сети, критериев и результатов тестирования ОК ВОЛС и сети в целом, и другие внешние базы данных.
304
Рис.1 Архитектура системы RFTS
Аппаратная часть включает:
-блоки дистанционного тестирования волокон RTU (Remote Test Unit), в которые могут устанавливаться модули оптических рефлектометров OTDR (Optical Time Domain Reflectometer), модули доступа для тестирования волокон OTAU (Optical Test Access Unit) -
оптические коммутаторы и другие модули;
-центральный блок управления TSC (Test System Control) системой RFTS - центральный сервер;
-станции контроля сети ONT (Optical Network Terminal).
Элементами системы управления RFTS являются: станции контроля сети ONT (notebook или стационарные рабочие станции); соответствующее программное обеспечение; блоки управления в RTU; центральный блок управления TSC и сетевое оборудование, обеспечивающее связь между компонентами управления RFTS [3].
В стратегически важных точках сети устанавливаются блоки RTU (см. рис. 1). Конфигурация системы RFTS (выбор блоков RTU, их размещение по узлам сети и комплектация модулями OTDR, OTAU и др.) оптимизируется исходя из топологии сети, стоимости оборудования, требований надежности системы RFTS и других критериев. При этом тестироваться могут как пассивные волокна ВОЛС (метод тестирования пассивных оптических сетей), так и активные волокна (метод тестирования активных оптических сетей).
Оптический рефлектометр периодически снимает данные по затуханию с подключаемых к нему оптических волокон сети. Каждая полученная рефлектограмма сравнивается с эталонной, отражающей обычно исходное состояние волокна. Если отклонение от нормы превышает определенные, заранее установленные пороги (предупреждающий или аварийный), то соответствующий блок RTU автоматически посылает на центральный сервер системы предупреждение или сообщение о неисправности. Все рефлектограммы также поступают на центральный сервер, который сохраняет их в базе данных для дальнейшей обработки. Центральный сервер системы обеспечивает доступ ко всем результатам тестирования волокон для любой станции контроля сети и автоматически рассылает сообщения о неисправностях в зависимости от уровня серьезности события на заранее заданные IP- или электронные адреса, пейджеры и телефоны, узлы обслуживания ВОЛС [4].
305
4. Функции системы RFTS
Важнейшей функцией системы RFTS является то, что она постоянно автоматически ведет сбор и статистический анализ результатов тестирования оптических волокон сети. Статистический анализ с использованием корреляционных, многофакторных методов, а также современных нейросетевых методов дает возможность обнаруживать и прогнозировать неполадки волокна задолго до того, как они приведут к серьезным проблемам в сети.
На основе мониторинга сети при помощи RFTS можно проводить плановый и профилактический ремонт ОК в сети, не дожидаясь появления серьезных повреждений и аварий в кабельной системе.
Система RFTS значительно повышает безопасность сети - любое несанкционированное подключение к волокну неизбежно приводит к дополнительным потерям в оптическом канале, а значит, будет обнаружено и зафиксировано системой в реальном масштабе времени
[9].
Другое не менее важное качество системы RFTS – графическое представление информации о состоянии сети. На центральном сервере системы установлена профессиональная ГИС, которая содержит точную электронную карту цифровой сети на местности. Вся информация о состоянии сети и документация по ОК хранится в базе данных SQL и может быть графически представлена на карте. Также на карту выводится полная информация о неисправностях волокон в ОК, включая их точное физическое местоположение [5].
Таким образом, система RFTS позволяет обслуживающему персоналу в реальном масштабе времени (практически мгновенно) узнавать, где произошел сбой и каков уровень потерь в волокне ОК ВОЛС. Это намного сокращает время поиска неисправностей и упрощает проведение профилактического обслуживания ВОЛС. Учитывая размеры современных цифровых волоконно-оптических сетей, важность и объемы передаваемой по ним информации, экономическую эффективность применения системы RFTS трудно переоценить [1].
5.Заключение
Внастоящей статье рассмотрены основы построения системы мониторинга RFTS, ее применение в сетях связи, обозначены основные функции, представлена архитектура системы.
Литература
1.Волоконно-оптическая техника; история, достижения, перспективы // Сб. статей под ред.
Дмитриева С.А., Слепова Н.Н. – М.: Изд. Connect, 2000. -376 с.
2.Иванов А.Б. Контроль соответствия в телекоммуникациях и связи. Часть 1. - М.: Сайрус Системс, 2000. –376 с.
3.Некрасов С. Е. Системы дистанционного мониторинга оптических кабелей. – Технологии
исредства связи, 2000, №5, с. 28-32.
4.Родомиров Л., Скопин Ю.Г., Иванов А.Б. Методы и оборудование удаленного
тестирования ВОЛС. - Вестник связи, 1998, №5, с. 64-71.
5.Симичев Н.И., Ермашов А.А., Шмалько А.В. Единая информационная сеть связи АО ―Мосэнерго‖. Рубежи и перспективы. - ИнформКурьер-Связь, 2000, №11, с. 47-50.
6.Хволес Е.А., Ходатай В.Г., Шмалько А.В. Волоконно-оптические линии связи и
проблемы их надежности. - ВКСС. Connect! 2000, №4.
306
7.Шмалько А.В., Сабинин Н.К. ВОЛС на воздушных линиях электропередачи. - ВКСС. Connect! 2000, №3, с. 50-62.
8.Шмалько А.В. Планирование и построение современных цифровых корпоративных сетей связи. – Вестник связи, 2000, №4, с. 58-65.
9.Шмалько А.В. Построение современных цифровых сетей связи: основные понятия, принципы и вопросы терминологии. – ВКСС. Connect! 2000, №2, с. 61-69.
Кабышева Айнур Маратовна
Магистрант по профилю «Многоканальные телекоммуникационные системы»,
СибГУТИ, (630102, Новосибирск, ул. Кирова, 86), тел: +77212440881, e-mail:k_ainura90@mail.ru
Architecture and main functions of the monitoring system RFTS
In this paper, we consider a system of continuous monitoring of optical fibers RFTS, allows quickly locate faults and degradation of the fiber. There is architecture of the system, requirements for it , the main tasks and functions.
Keywords: fiber, monitoring system RFTS, Optical Time Domain Reflectometer, Remote Test Unit, network control station ONT.
307
Неупругие взаимодействия в оптических волокнах
А.Г. Ким
В данной статье рассмотрены неупругие взаимодействия в оптическом волокне. К ним относятся: вынужденное (стимулированное) рассеяние Рамана (SRS – stimulated Raman scattering) и вынужденное рассеяние Бриллюэна (SBS - stimulated Brillouin scattering).
Основные типы нелинейных эффектов в волокне наблюдаются уже при мощности в каждом из спектральных каналов DWDM системы порядка несколько милливатт. Их можно разделить на неупругие и упругие взаимодействия. К неупругим взаимодействиям относятся вынужденное (стимулированное) рассеяние Рамана (SRS – stimulated Raman scattering) и вынужденное рассеяние Бриллюэна (SBS - stimulated Brillouin scattering). Часто используют и другие обозначения: вынужденное комбинационное рассеяние (ВКР) и вынужденное рассеяние Мандельштама-Бриллюэна (ВРМБ).
Явления вынужденного рассеяния SBS и SRS проявляются в том, что лазерный сигнал рассеивается, соответственно, на звуковых волнах, распространяющихся в волокне (акустических фононах) или на молекулярных колебаниях волокна (оптических фононах), и смещается в область более длинных волн (рис. 1).
a)
Мощность входена
SВS
Мощность выходена
б)
Мощность на входе
SRS
Мощность на выходе
Рис. 1. Спектры SВS и SRS
а) При вынужденном рассеянии Бриллюэна (SBS) спектр спонтанного излучения узкий (30..60 МГц) и смещен в длинноволновую сторону на 11 ГГц.
б) При вынужденном рассеянии Рамана (SRS) спектр спонтанного излучения широкий (~ 7 ТГц или 55 нм) и смещен в длинноволновую сторону на величину порядка 13 ТГц.
Хотя явления SBS и SRS во многом схожи, можно выделить несколько существенных отличий:
SВS наблюдается только для встречной волны (рассеяние происходит только назад). SRS наблюдается не только для встречных волн, но и для сонаправленных волн.
При SRS спектр спонтанного излучения смещен значительно сильнее и ширина его намного больше чем при SВS.
308
Пороговая мощность SВS намного меньше чем SRS [1].
2. Вынужденное рассеяние Бриллюэна (SBS)
Физическая причина явления вынужденного рассеяние Бриллюэна состоит в том, что интенсивная волна света распространяющегося в прямом направлении и первоначально слабая волна рассеянного назад света, а также тепловая упругая волна нелинейно взаимодействуют друг с другом (за счет явления электрострикции). В результате такого взаимодействия в волокне возникают волны показателя преломления, движущиеся со скоростью звука.
Часть распространяющегося в прямом направлении света рассеивается на волнах показателя преломления назад со сдвигом частоты (рис. 2). Это приводит не только к ослаблению сигнала, передаваемого по волокну в прямом направлении, но и к появлению дополнительных вариаций частоты и амплитуды источника излучения при попадании в него отраженного излучения.
Величина сдвига частоты зависит от того, как легирована сердцевина волокна. В SM волокне (G.652) рассеянная назад световая волна смещена по частоте на 11 ГГц (+ 0.088 нм)
при ширине полосы около fВ = 30 МГц. А в DS волокне (G.653) она смещена на 10.7 ГГц (+ 0.085 нм) при ширине полосы около fВ = 60 МГц. Однако в любом случае линия спонтан-
ного усиления узкая, а сдвиг частот много меньше расстояния между спектральными каналами DWDM системы. Поэтому ограничение на величину мощности в канале не зависит от числа каналов.
Сердцевина волокна
Вход
fo = 194 ТГц
Отраженный
va = 5.8 мм/мкс
сигнал
fo
fB
0.53 мкм
fBf~o11o ГГц
Генерируемая оптически
акустическая волна
Рис. 2. Рассеяние Бриллюэна на одной из генерируемых оптически акустических волн как отражение от движущейся решетки Брэгга
Для расчета пороговой величин мощности PB (при которой примерно половина мощности рассеивается назад) обычно используют следующее приближенное выражение
где fл– ширина полосы источника излучения. Коэффициент 0.03 Вт км получен для gB = 5 10-11м/Вт- коэффициент усиления SBS (в максимуме) и Аэ = 70 мкм2 (SM волокно).
Для узкополосного источника излучения ( fл< 1 МГц) и типичного значения Lэ = 20 км
находим PB = 1.5 мВт (это значение показано на рис. 1). Для сравнения в DWDM типичное
значение мощности в одном спектральном канале 1…10 мВт, а при передачи сигнала по волокну на одной длине волны или, например, в оптическом рефлектометре она может уже достигать величины 100…200 мВт.
Пороговую величину мощности можно увеличить, уменьшая эффективную длину взаимодействия световой волны с акустической волной. В оптическом рефлектометре она уменьшается «автоматически», так как в нем используются импульсы с большой скважно-
309
стью. Для одиночного импульса, как нетрудно видеть, эта эффективная длина равна поло-
вине длины импульса
Lэфф Lи с / 2n,
(2)
где - длительность импульса, n 1.5 –групповой показатель преломления волокна. Для типичного значения = 1 мкс получаем Lэфф Lи= 0.1 км, что примерно на два порядка
меньше значения эффективной длины взаимодействия ( Lэ= 20 км) для узкополосного ис-
точника излучения. Соответственно, в режиме таких одиночных импульсов величина пороговой мощности увеличивается в примерно 200 раз, т.е. до 300 мВт.
В оптических системах с внешним амплитудным модулятором пороговая мощность SBS уменьшается всего лишь в 2…4 раза (до 5 мВт), так как скважность передаваемых импульсов мала, и значительная часть мощности содержится в оптической несущей. Для увеличения пороговой мощности таких систем обычно используют дополнительную фазовую модуляцию излучения лазера с частотой порядка 50 Гц и девиацией частоты порядка 1 ГГц. Полагая
для оценки (рис. 1) величину fл= 1ГГц, получаем, что за счет расширения полосы излуче-
ния пороговая мощность увеличивается примерно в 30 раз (до 50 мВт).
В оптических системах при прямой модуляции лазера чирпинг эффект приводит к уширению спектра излучения лазера (глава I) пропорционально битовой скорости. Так при скорости передачи 2.5 Гбит/с (STM-16) в системах с прямой модуляцией лазера пороговая мощность SBS достигает величины 100…200 мВт.
Таким образом, хотя при работе монохроматическим источником излучения максимальная мощность в канале из-за SBS ограничена (как показано на рис. 1 величиной порядка 1.5 мВт), в практических системах допустима гораздо большая величина мощности [1].
3. Вынужденное рассеяние Рамана (SRS)
Физическая причина явления вынужденного рассеяние Рамана состоит в поглощении фотона молекулой, использование части энергии фотона на возбуждение колебаний этой молекулы, а оставшейся части энергии на испускание фотона с более низкой частотой. Этот эффект используется для усиления сигналов в спектральных каналах DWDM систем, так как он обладает широкой полосой усиления (50…100 нм, для разных типов волокон), что даже шире полосы усиления эрбиевого усилителя (~40 нм).
Пороговая величина мощности PR (при которой примерно половина мощности преобразуется в сигнал более низкой частоты) определяется выражением
PRLэфф (16Аэ / gR ) 17 Вт км.
(3)
Коэффициент 0.03 Вт км получен для g
B
= 5 10-11м/Вт и
А
= 70 мкм2
(SM волокно).
э
При типичном значении Lэ = 20 км ( = 1550 нм) получаем PR 1 Вт, что заметно больше
общей выходной мощности эрбиевого оптического усилителя (~ 23 дБм). Более того, в DWDM системе мощность в спектральном канале ещѐ меньше, так как общая выходная мощность оптического усилителя должна быть разделена между всеми каналами системы.
Таким образом, SRS, в отличие от SBS, не ограничивает непосредственно величину мощности вводимой волокно. Однако SRS играет важную роль в волоконной связи, так как обеспечивает возможность усиления сигналов в широкой полосе частот смещенной в длинноволновую сторону относительно длины волны накачки на величину ~13 ТГц (100 нм). Примерный вид спектров усиления в основных типах кварцевых волокон показан на рис. 3.
