Развитие требований для завтрашних оптических сетей

Аарон Т. Дерагон

Какое оборудование необходимо, когда сети LAN будут способны работать со скоростью 10 Гбит и выше?

Появление более высоких скоростей передачи данных вызвало увеличение плотности длины волны (DWDM) во всех оптических сетях (AON), в связи с чем растут требования к оборудованию и тестированию.

Исторически требования к тестированию оптических сетей включали традиционные измерения затухания, отражательной способности и общих оптических потерь. Эти измерения могли предоставлять лишь ограниченную информацию о состоянии волокна. Однако этого было достаточно для передающих систем в то время.

Сегодняшнее тестирование должно предусмотреть такие измерения, как хроматическая дисперсия, поляризация режима дисперсии и оптический анализ канала.

Техники должны разбираться в самых последних технических разработках, чтобы иметь возможность проводить оптимальные испытания.

 Переход к обслуживанию сетей с повышенной скоростью

 В настоящее время распространены сети TDM (time-division multiplexed) со скоростным потоком 10 Гбит/с и индустрия готова внедрять сети, поддерживающие скорость 40 Гбит/с. Кроме того, промежуточная сетевая длина отрезков без электрической регенерации увеличивается. В некоторых системах она превышает 2500 км. Эти два фактора - увеличение промежуточных отрезков и скорости передачи данных - обозначают потребность измерения и компенсации дисперсии.

Дисперсия - название, данное искажению формы импульса ввиду свойств волокна и переданного светового потока. В основном, если импульсы данных посланы с очень маленькими промежутками между ними, как в случае высокоскоростной передачи данных, они рассеиваются и смешиваются друг с другом. Принимающее устройство не способно различить, где заканчивается один импульс и начинается следующий (рис. 1).

Рис. 1. Работа дисперсии

Это смешивание данных называется межсимвольной интерференцией и обусловливает деградацию эксплуатационных показателей сети. В одномодовых системах существуют два главных типа дисперсии: хроматическая (CD) и дисперсия режима поляризации (PMD). Чтобы полностью оценить и понять природу и эффект этих явлений, важно знать их причины.

Природа хроматической дисперсии

Возникновение CD вытекает из различной длины световых волн, проходящих в волоконном световоде с различными скоростями. Даже при том, что сегодняшние передатчики имеют очень узкий спектр, сигналы цифровой информации неизбежно содержат маленький диапазон длин волны. Это означает, что разные компоненты (длины волн) проходят с различными скоростями, расширяя тем самым переданный импульс (рис. 2).

 Рис. 2. Хроматическая дисперсия

К счастью, тестирующее устройство, которое может измерять хроматическую дисперсию в системе, сейчас доступно. Измеряемые параметры обычно включают длину волны нулевой дисперсии и хроматическую кривую дисперсии. Когда они известны, то отрицательный эффект CD может быть снят или компенсирован добавлением модулей компенсации дисперсии (DCM).

Процедура измерения CD в промежутке и контроль ее с помощью DCM называется механизмом компенсации дисперсии. Измерение и компенсация точного количества CD соответственно помогает более тщательному применению механизма компенсации дисперсии и оптимизации работы сети. Почти все системы DWDM, где одновременно передаются волны различной длины с высокой скоростью и мощностью, требуют точного измерения CD и компенсации дисперсии.

Проблемы PMD

Как только вы компенсировали CD, дисперсия режима поляризации становится основным фактором ограничения в высокоскоростных сетях. Ранее в основном неизвестная и не принимаемая во внимание PMD все больше заставляет системщиков и инженеров тестирования считаться с собой. Сейчас тестирование PMD является важной процедурой.

Тестирование необходимо для проверки способности отдельного промежутка волокна, особенно старого, проводить высокоскоростные сигналы. Опыты показали, что почти все новые оптические линии могут нести данные со скоростью 10 Гбит/с, в то время как многие старые линии дают для этого слишком высокий показатель PMD. Как правило, всякий раз, когда скорость данных превышает 2,5 Гбит/с, необходим тест на PMD. Даже новое волокно может быть подвержено большому влиянию PMD из-за изменения окружающей среды или неаккуратного обращения.

PMD - форма дисперсии, вызванной волокном, с различной поляризацией световых волн на различных скоростях. Одномодовое волокно может быть представлено в виде двух путей распространения сигнала: медленного и быстрого. Некоторые световые поляризации лазера способны проходить только по первому пути, в то время как другие могут перемещаться быстро.

Если свет проходит по этим маршрутам с одинаковой скоростью, то проблемы не существует, так как все составляющие сигнала достигают приемника одновременно. Но это только теория. На практике данные проходят по этим троекториям с разной скоростью и достигают приемника в разное время (рис. 3).

Рис. 3. Дисперсия режима поляризации

Одно из наиболее проблематичных свойств PMD - появление ее под влиянием внешних факторов. Это означает, что кабели, подвергнутые колебаниям, температурным изменениям или скручиванию, могут иметь непостоянные и динамические показатели PMD. В связи с этим необходимо измерять показатели PMD через определенные промежутки времени. Некоторые тестирующие PMD-устройства в настоящее время доступны и могут быть установлены для автономной работы.

Если часть волокна находится на катушке или под землей, то показатель PMD этой части будет отличным от остального кабеля. Поэтому после инсталляции требуются повторные измерения. Периодические замеры PMD также необходимы в местах прохождения волокна под землей или по воздуху ввиду различных условий окружающей среды этих участков.

Кроме того, из-за переменного характера окружающей среды PMD может оказывать различное влияние на разные жилы многоволоконного оптического кабеля. Поэтому, зная PMD одного волокна в многоволоконном кабеле, вы имеете небольшое представление о дисперсии остальных. Каждое волокно должно быть протестировано индивидуально. Ввиду распространившихся инсталляций многоволоконных кабелей скорость вашего оборудования PMD-тестирования становится важным фактором.

Обычно общий суммарный объем CD и PMD не должен превышать 10% скорости потока. Например, для передачи 10 Гбит/с время отсчета будет равно 100 пс (пикосекунд). Поэтому общая дисперсия должна быть меньше 10 пс. Важно помнить, что отрицательные эффекты всей дисперсии накапливаются в зависимости от расстояния, значит чем больше отрезок передачи, тем восприимчивее он будет к дисперсии.

 AON, оптический анализ канала

 Дисперсия становится все более важным показателем, по мере того как увеличение скорости потока уменьшает длительность импульса. Передовые сети не только увеличили полосу пропускания, передавая сигнал быстрее, но и обеспечили возможность передавать импульсы с различной длиной волны и держать этот сигнал в оптическом домене в пределах всей сети. Каждая длина волны называется каналом и действует как виртуальное волокно. В сегодняшних DWDM-системах одно волокно может нести 400 каналов.

К тому же многие новые оптические компоненты способны увеличить ширину полосы и стоят дешевле. Эрбиумовые волоконные усилители (EDFA) позволяют увеличить расстояние между участками регенерации, таким образом способствуя уменьшению эксплуатационных затрат. Оптические переключатели стали применяться вместо больших и более дорогих электрических выключателей, которые, кроме того, требуют, чтобы оптический сигнал сначала был конвертирован в электрический и передан повторно. Это не только не эффективно, но и связано с наличием дополнительных приемника и передатчика, что увеличивает стоимость и количество точек потенциальных неисправностей.

Оптический конвертер длины волны - еще один компонент, повышающий эффективность системы. Это устройство может превращать входную длину волны в различную выходную длину. Такое преобразование позволяет увеличить КПД волны и общую эффективность системы. Комбинация переключателей и таких конвертеров встречается на сетевых стыках.

Новые компоненты повышают эффективность и ширину полосы пропускания, что подтверждено результатами тестов. Чтобы увеличивать эффективность, сигнал в AON может изменять длину волны, поскольку входит в различные части сети, или может быть направлен по конкретным маршрутам в обход разрыва волокна. Поэтому сегодняшние техники должны знать, сколько каналов имеется в наличии, когда они предположительно будут в наличии и какие длины волн должно содержать каждое волокно. Используя оптические переключатели, конвертеры длины волны и оптические кроссконнекторы, техники могут управлять очень динамичными сигналами.

Испытание AON требует специального инструментария, такого как оптический анализатор канала (OCA). Последний подобен в действии оптическому спектр-анализатору, но разработан специально для измерений в полосе телекоммуникационной трансмиссии.

Каждый канал представлен шипом, а высота каждого шипа показывает оптическую мощность данного канала. Часто информация дается в виде граф и таблиц, что помогает получить более детальные сведения о любом канале системы.

OCA предоставляет информацию о присутствии каждого канала (длины волны), интервале между ними, мощности каждого канала и количестве изменений длины волны каждого канала за определенный промежуток времени (явление, известное как дрейф). Когда эти механизмы тестирования задействованы по всей сети, пользователи могут получать информацию относительно всех компонентов в ее пределах. Возможно контролировать характеристики чувствительности EDFA, эксплуатационные показатели мультиплексора длины волны, действие оптических переключателей и другие устройства.

В соответствии с требованиями к увеличению ширины полосы и уменьшению стоимости, оптоволоконные системы постоянно развиваются, создавая новые ситуации и сценарии для тестирования. Появление требований к испытанию CD и PMD наряду с возрастающей потребностью в оптическом анализе канала - это следующий шаг в развитии сетевого тестирования.

Чтобы остаться конкурентоспособным, важно быть в курсе самых последних методик испытаний оборудования. Объединяя и используя новые технологии, инженеры и техники могут повысить эффективность тестирования и улучшить сетевые эксплуатационные показатели.