Měření a diagnostika v optických přístupových sítích FTTx Vratislav Blažek, Jan Brouček MIKROKOM s.r.o Publikováno na semináři ČVTSS 8.-9.6. 2005, Praha Úvod Optická vlákna pronikají v telekomunikační infrastruktuře čím dál tím blíže ke koncovému uživateli širokopásmového připojení a služeb. Příčiny, které k tomu vedou jsou především pokles cen optických komunikačních technologií a skutečná širokopásmovost optického vlákna jako přenosového média. Jinými slovy, pokud chceme zajistit vysokou přenosovou kapacitu kabelové trasy, bez optického vlákna to nejde. Proto v transportních a metropolitních sítích jsou optické přenosové systémy běžnou samozřejmostí. S rostoucími nároky na šířku pásma v přístupové síti se optická vlákna velmi rychle začínají prosazovat i v České republice. Světové prognózy hovoří o boomu technologií FTTx. Obr.1: Návaznost optické přístupové sítě na optickou metropolitní síť Optická přístupová síť FTTx (Fiber-to-the-) O projektech optika až do domu, anglicky Fiber to the Home, se v oboru optických komunikací hovoří už minimálně 15 let. Až nyní však nastává reálná ekonomická příležitost pro uplatnění této myšlenky. Uvážíme-li, že cena za realizaci trasy v přístupové síti optickým vláknem spadla na stejnou cenu jako je cena za realizaci připojení klasickým metalickým kabelem a že cena aktivních optických prvků nutných pro komunikaci po vlákně v přístupové síti spadla na cenu cca 5 000,- Kč za optickou přípojku, vychází nám technologie FTTx velmi dostupná. Pro realizaci skutečně kvalitní nabídky služeb typu Triple-Play (telefon-televize-internet) to jednoznačně nahrává většímu, či menšímu využití optických vláken v přístupové síti.
Označujeme proto projekty podle toho, kam až se dá s optikou směrem k účastníkovi dojít: FTTC (Fibre-To-The-Curb) - k okraji chodníku FTTCab (Fibre-To-The-Cabinet) ke kabinetu FTTP (Fibre-To-The-Premises) - k areálu FTTB (Fibre-To-The-Building) - k budově FTTH (Fibre-To-The-Home) - do domu FTTO (Fibre-To-The-Office) do kanceláře FTTD (Fibre-To-The-Desk) - na stůl V reálném případě není ani tak důležité, jak si jednotlivý konkrétní projekt pojmenujeme, ale jakou optickou technologii si zvolíme. Přirozený požadavek pro úspěšné nasazení technologie je, aby byla variabilní a škálovatelná, tak abychom mohli jednotlivé stavební bloky pružně kombinovat podle konkrétních podmínek projektu. Můžeme mít potom v jedné přístupové síti vedle sebe přípojky FTTH, FTTC, FTTB atd., nebo můžeme síť plynule rozvíjet a přicházet časem s vláknem blíže a blíže k účastníkovi. Úvodem je vhodné uvést označení jednotlivých bloků podle norem. Obr.2: Označení jednotlivých bloků FTTx podle technických doporučení Jakou koncepci sítě FTTx si zvolit? Optické přístupové sítě se budují ve dvou základních topologiích: Point-to-Point Point-to-Multipoint Jejich rozdíly jsou patrné z dále uvedených obrázků. Topologie bod-bod (obr.3) je základní a nejsnadněji realizovatelná. K účastníkovi stačí instalovat například cenově velmi dostupný mediakonvertor a zajistit mu tak dostatečně rychlé připojení, např. formou Ethernet 100 Mbit/s. Za pomoci technologie Vo (Voice over ) a TV (TV over ) lze pak vytvořit nabídku služeb Triple-Play. Každý účastník ONT/ONU je připojen dvěma vlákny k ústředně OLT. Pokud chceme počet vláken mezi účastníky a ústřednou snížit, můžeme využít optického spektrálního multiplexu a vytvořit obousměrný komunikační kanál po jednom vlákně tak, jak to uvádí druhý a třetí příklad na
obr.3. Je vhodné však respektovat vlnové délky 1310,1490 a 1550 nm a jejich využití pro upstream/downstream podle doporučení ITU, jak rovněž uvádějí obrázky. Optická přístupová síť point-to to-point (p2p) Ethernet p2p T R R T T R 1550 nm R T T R Central Office: OLT analog TV 1490 nm 1550 nm R T ONU/ONT Obr.3: Topologie FTTx bod-bod Optická přístupová síť point point-to-multipoint (p2mp) PON: Passive Optical Network Ethernet p2mp T/R 1490 nm analog TV Central Office: OLT 1550 nm ONU/ONT Obr.4: Topologie FTTx pasivní optická síť
Ethernet T R Optická přístupová síť AON: Active Optical Network active element 1490 nm Central Office: OLT ONU/ONT Obr.5: Topologie FTTx aktivní optická síť Velký počet vláken mezi ústřednou a účastníky komplikuje a prodražuje optickou infrastrukturu u rozsáhlejších FTTx sítí. V takovém případě se jeví jako vhodná topologie Point-to-Multipoint dle obr.4. Pasivní optická síť poskytuje výhodu optického rozbočování signálu k účastníkovi a optického slučování signálů od účastníků čistě v optické oblasti bez konverze na elektrický signál. Dělící poměry 1:32 nebo 1:64 nám potom umožňují připojit 32 nebo 64 účastníků ONT/ONU na jeden optický port OLT. Na obr.5 je obdobná možnost snížení počtu vláken vedoucích do ústředny pomocí agregačního aktivního prvku, který umístíme v lokalitě u účastníků. Architektura sítě PON Video Service Provider CO Video Generator E/O EDFA CO Switch/ Router 100BaseT (VLANs) S-band downstream (1490nm) 1550nm (18.5dBm) OE404 WDM Coupler ADM (Olencom FSM) E1 O-band upstream (1310nm) STM1 (VC12) 1 : 32 splitter OE-401R-CE Residential OE401-CE Single Business OE402-CE Large Business 4 x POTS 1 x 10/100BaseT 1 x RF Video (14dBmv) 8 x POTS 1 x 10/100BaseT 1 x E1 1 x RF Video (14dBmv) 4 x 10/100BaseT 4 x E1 Phones PCs STB Phones PCs PB STB PCs PB Obr.6: Příklad pasivní optické sítě PON
Technická úskalí projektu FTTx Pro úspěšné zvládnutí projektu FTTx v celém cyklu plánování-projekce-realizace-provoz je potřeba překonat všechna technická úskalí s tím spojená. Podcenění některého z nich pak má za následek prodražení investičních nebo provozních nákladů projektu. Ve fázi projektu to například mohou být otázky: topologie point-to-poinit (p2p) nebo point-to-multipoint (p2mp)? aktivní optická sítˇ(aon) nebo pasivní optická síť (PON)? distribuce TV signálu: analogová TV nebo TV? když PON, tak kam umístit splittery: v 1 stupni nebo ve 2 stupních? splittery (tj optické odbočnice) vařit nebo konektorovat? zvolit mikrokabely/mikrotrubičky nebo klasické optické kabely? jaké prvky na trase: spojky nebo kabinety nebo nástěnné boxy? vlákno by mělo být jednoznačně G.652 C nebo D! Ve fázi výstavby to například mohou být otázky: kdo provede montáž mikrotrubiček/zafukování mikrokabelů? rozsah měření při výstavbě (co měřit/čím měřit)? akceptační testy optické sítě (jak měřit/dokumentovat)? nasazování systému:jak provést konfiguraci-jaká supervize-nutné testy? jak zvládnout měření OTDR přes splittery? je síť skutečně připravena na upgrade a budoucí rozvoj? jaké vlnové délky 1310/1490/1550 nm ( případně CWDM)? Pro provoz/servis jsou důležité otázky: vybavení pro montáž/opravy (mikrotrubičky/mikrokabely)? kde všude jsou vyvedena vlákna na optické konektory OLT-FDH-Drop-ONU/ONT? odkud a jak zaměřovat poruchu? management systému (monitorování) nahrazuje preventivní údržbu? Měřicí a diagnostická technika pro sítě FTTx Pro měření fyzické vrstvy (optické kabely, optický signál) se používají měřici přístroje principiálně známé z montáže a servisu optických metropolitních a transportních sítí. Měřicí postupy a způsob využití těchto přístrojů však klade některé odlišné požadavky, na které je v tomto příspěvku dále upozorněno. K základním měřicím přístrojům pro optickou část sítě FTTx patří Optický reflektometr OTDR (Optical Time Domain Reflectometer) Přímá metoda, zdroj záření+měřidlo výkonu (LS+PM, Light Source + Power Meter) Souprava pro měření útlumu OLTS (Optical Loss Test Set) Měřidlo útlumu odrazu ORL (Optical Return Loss) další pomůcky: vizuální zaměřovač poruch, identifikátor živého vlákna, videomikroskop a v neposlední řadě pro testy a údržbu sítí PON PON měřidlo výkonu Příklad vybavení skupin pro servis optické přístupové sítě je uvedeno v tabulce 1.
1.pohotovost 2.opravy Zdroj záření LS Měřidlo výkonu PM Červený laser VFL Identifikátor živého vlákna LFD Čištění Mikroskop/Videomikroskop Optický reflektometr OTDR Souprava pro měření útlumu OLTS Svářečka Tab.1: Vybavení skupin pro servis optické sítě FTTx Pro měření signálu a vyšších vrstev sítě je nutno počítat s celou řadou dalších diagnostických přístrojů podle charakteru signálu na síti. Mohou mezi ně patřit například: Ethernet analyzátor TV měřicí přijímač analog/dvb Využití OTDR na síti FTTx Optický reflektometr jako nejrozšířenější kabelářský přístroj se používá během výstavby až po akceptační testy s cílem: 1) zmapovat trasu a vyhodnotit parametry součástek na trase útlumy odrazy měrné útlumy délky 2) zdokumentovat, efektivně zpracovat výsledky Následně během provozu sítě je využíván pro účel 1) zaměřit poruchu, tzn. přesně detekovat konec vlákna 2) lokalizovat vadnou součástku, tzn. musí přesně měřit a vyhodnotit konektory, spojky, odbočnice 3) udržovat dokumentaci, archiv Při měření pasivní optické sítě reflektometrem OTDR je potřeba se vypořádat s úskalím, které představuje optická odbočnice (viz obr.7) a výsledky správně interpretovat. Reflektogram za optickou odbočnicí je dán součtem příspěvků signálu od jednotlivých větví připojených k odbočnici, a to nám ztěžuje orientaci ve výsledcích při vyhodnocení. Navíc odbočnice představuje poměrně velký vložný útlum daný charakterem součástky a pokud reflektometr nedisponuje dostatečným dynamickým rozsahem, nedoměří se dál než k odbočnici. Na obrázku 8 je příklad měření OTDR přes odbočnici 1:32, kdy není přítomen signál z ostatních větví.
měření trasy od OLT k ONT přes odbočnici Total loss budget End to end Link Characterization Coupler and splice characterization End to End loss & back reflection Obr.7: Měření pasivní optické sítě PON Obr.8: Měření trasy s optickou odbočnicí 1:32 Měření přímou metodou na síti FTTx Doporučuje se měřit vložný útlum IL každého spojení konec-konec, tzn. každého vlána, a to v obou směrech přenosu a na všech vlnových délkách, na kterých bude nasazen provoz. Protože důležitou roli na síti FTTx hrají odrazy, je nutné měřit a vyhodnocovat i útlum odrazu ORL. Prakticky to znamená, že přímá metoda měření útlumu se rozrůstá o měření útlumu odrazu. Pokud je souprava OLTS (Optical Loss Test Set obsahuje vysílač a přijímač v jednom přístroji) vybavena měřidlem ORL (Optical Return Loss), pak může současně probíhat měření útlumu a útlumu odrazu v obou směrech, jak je naznačeno na obr.9.
měření trasy od OLT k ONT pomocí OLTS měření vložného útlumu IL a útlumu odrazu ORL celé trasy Obr.9: Měření pasivní optické sítě PON pomocí OLTS Měření PON měřidlem výkonu Měření úrovně signálu se běžně provádí měřidlem optického výkonu. Podmínkou úspěšného měření však je, aby management aktivních prvků toto měření připustil. Jinými slovy, je potřeba, aby po rozpojení optické trasy a připojení měřidla výkonu aktivní prvek-vysílač i nadále vysílal. To bývá problém u ONT pro sítě FTTH, kdy se vysílač upstreamu automaticky z bezpečnostních důvodů vypíná při ztrátě signálu/ odpojení od ústředny OLT. Proto je nutné použít specializované měřidlo výkonu, které se vloží do rozpojené trasy a zajistí průchod signálu v obou směrech a zároveň jeho měření. Měřicí body jsou ukázány na obr.10 Obr.10: Měření úrovně signálu na síti PON Další servisní pomůcky pro údržbu optické sítě FTTx Důležitým faktorem kvalitního přenosu v síti FTTx je kvalita a čistota čel optických konektorů. Proto jsou hojně používány inspekční mikroskopy nebo videomikroskopy.
Servisní a montážní skupiny rovněž využívají řadu pomůcek pro identifikaci vláken a orientaci ve svazcích kabelů. K tomu slouží červené lasery tzv. vizuální zaměřovače poruch, nebo indentifikátory živého vlákna, které přes ohyb detekují přítomnost a charakter signálu ve vlákně. Obr.11: Servisní pomůcky pro optickou síť FTTx Diagnostika signálů přenášených po síti FTTx Kromě vybavení pro servis optické infrastruktury je nutné zajistit i patřičnou diagnostiku vyšších vrstev a signálů přenášených po síti FTTx. Toto vybavení a požadavky na něj vždy podléhají zásadám údržby a garance QoS dané služby. Například, je-li základem přenosu po síti protokol Ethernet, je nutné být vybaven pro akceptační testy a diagnostiku vhodným Ethernet analyzátorem. Pro měření kvality TV signálu je obdobně nutné disponovat vhodným TV měrným přijímačem a analyzátorem. Obr.12: Příklad Ethernet analyzátoru a TV/DVB analyzátoru
Závěr Snahou a jasným trendem nejen v sítích FTTx, ale v celém oboru ICT je, jak zjednodušit a zlevnit měření. Lze proto očekávat další vývoj v této oblasti, jehož výsledkem bude modifikovaná měřicí technika, nové diagnostické metody a rozhodně větší uplatnění dohledových a monitorovacích systémů, které postupně budou nahrazovat manuální preventivní údržbu sítě. Literatura (1) M.Kucharski, P.Dubský: Měření parametrů optických vláken, kabelů a tras, MIKROKOM, Praha 1998. (2) FTTx PON Guide Testing Passive Optical Networks, EFO, Quebec 2005 (3) Přednášky ze semináře Světlo v telekomunikacích, MIKROKOM 2004 (4) Firemní literatura firem EFO, OlenCom, C-COR, atd.