Обзор измерительных приборов для волоконно-оптических линий связи

Введение в обзор измерительных приборов для ВОЛС

Массовое строительство волоконно-оптических линий связи (ВОЛС) в России началось в середине 90-х годов прошлого столетия. Строительство ВОЛС, обслуживающих собственные потребности в связи, передаче данных и видеоинформации крупных ведомственных и корпоративных клиентов, шло экстенсивным путём за счет наращивания волоконной емкости и протяженности оптической кабельной сети. Эти ВОЛС выполнены с использованием широкой номенклатуры оптических кабелей, а также активного и пассивного оборудования различных отечественных и зарубежных производителей. ВОЛС крупных операторов связи и корпоративных сетях связи представляют собой разветвленные многоволоконные кабельные системы большой протяженности с узлами, где сходятся большие количества оптических кабелей. При строительстве ВОЛС оптические кабели прокладываются и эксплуатируются в городской телефонной канализации, коллекторах, грунтах различных категорий.

Ввиду высокой степень износа инженерной инфраструктуры в России, в последнее время нарастает объем работ по реконструкции инженерных сетей. Это напрямую затрагивает надежность функционирования сетей связи. Возрастает вероятность возникновения аварий на существующих кабелях связи в результате проведения строительных работ, вандализма, техногенных катастроф, попыток несанкционированного доступа. Традиционные методы организации технического обслуживания кабелей связи не обеспечивают оперативность получения информации о текущем состоянии волокон в оптических кабелях связи, что затрудняет принятие действенных мер по профилактике отказов ВОЛС и оперативных мер по устранению повреждения кабелей.

Существующий парк традиционного оборудования для организации контроля состояния ВОЛС требует больших трудозатрат квалифицированных инженерно-технических работников и не обеспечивает получение в реальном масштабе времени достоверных данных измерений. Отраслевые руководящие документы, предъявляющие требования к составу исполнительной документации на законченные строительством ВОЛС, предписывают проводить только тестерные измерения вносимого затухания и рефлектометрию (OTDR) волоконно-оптического тракта на рабочей длине волны, причём, как правило, на 1300 - 1310 нм.

В такой ситуации остаются неизвестными характеристики ВОЛС в спектральном диапазоне от 1550 до 1625 нм, перспективном для применения методов спектрального уплотнения (CWDM, DWDM) в котором погонное затухание кварцевого волокна достигает теоретического минимума 0,18 дБ/км. Например, рефлектометрия оптических волокон на этих длинах волн более чувствительна к макро- и микро-изгибам, вызванным механическими напряжениями, возникшими в кабельной системе из-за нарушений технологии прокладки и монтажа кабеля, что позволяет на ранней стадии прогнозировать возможность потенциальных отказов и принимать соответствующие превентивные меры. Кроме того, непрерывный рост трафика, капитальных затрат на строительство ВОЛС и требования поддержания конкурентоспособности заставляют операторов связи переходить на использование волокон со смещенной дисперсией и применение оборудования с использованием методы спектрального уплотнения каналов ВОЛС. Большинство служб эксплуатации операторов связи к этому не готовы. 

Большую проблему представляет укомплектованность контрольно-измерительным оборудованием строительно-монтажных организаций, которые ведут непосредственное строительство ВОЛС. Учитывая относительную дешевизну региональных трудовых ресурсов, руководство этих организаций, не уделяет должного внимания оснащению монтажников и измерителей надежным и высокопроизводительным контрольно-измерительным оборудованием для тестирования и паспортизации ВОЛС в процессе строительства. В этом случае определяющей при выборе оборудования становится его стоимость, в жертву приносится функциональность. Это приводит, в конечном случае, к затягиванию сроков строительства и получению недостоверной информации о состоянии построенной ВОЛС.

При этом рынок измерительной техники насыщается программно несовместимым измерительным оборудованием различных производителей, что создаёт дополнительные проблемы при эксплуатации ВОЛС.

В данной статье проводится обзор критических параметров, которые необходимо тестировать в ВОЛС для обеспечения качественной работы сети, а также представлен обзор измерительно-тестового оборудования для контроля этих параметров.

Чистота коннекторов – не физический параметр линии связи, но пренебрежение к контролю чистоты ведет к повышенным потерям и отражениям, что в конечном итоге ведет к ошибкам и нарушению связи. По статистике 80% проблем на оптических сетях обусловлены некачественными или грязными соединениями коннекторов.

Контроль качества поверхности коннекторов производиться при помощи специальных микроскопов с типичным увеличением 200-400X. Такой прибор представляет собой щуп и интерфейсный кабель, который используется для соединения с дисплеем или с ПК. Интересным решением в этой области является использование беспроводной технологии Wi-Fi для вывода изображения на экраны платформ, ПК и даже мобильных телефонов.

На рынке достаточно широко представлены такого рода приборы, можно выделить следующие решения:  

—EXFO FIP-400B – видеомикроскоп обладающий высоким разрешением и имеющий возможность передачи картинки не только на внешний дисплей, но и измерительные приборы линейки EXFO (рефлектометры, тестера, и т.п.). Имеется функция автоматической фокусировки и автоматического анализа Годен / Не годен. 
— FIP-435B также имеет возможность вывода изображения на мобильный телефон или планшет через Wi-Fi.
— Компания Viavi (JDSU) предлагает видеомикроскопы трех типов – профессиональный, для сетей доступа и микроскоп с удлиненным щупом для использования в труднодоступных местах. Также в линейке Viavi имеется широкий выбор дисплеев начиная от компактных вариантов до настольных решений.
— Lightel Technologies пока не очень широко представлена на российском рынке, но разработки американской компании весьма интересны: Lightel CL-1000 – традиционный видеомикроскоп с выходом на дисплей и на ПК. Оригинальна модель Lightel ViewConn – микроскоп, выполненный в виде прибора, имеющего вход для коннектора, встроенный дисплей и инструмент очистки – прибор очень удобный для использования как в поле, так и при проведении контроля патч-кордов.

Видеомикроскопы, несмотря на достаточную дороговизну по сравнению со своими ручными аналогами (2000$ против 300-400$), являются весьма популярными и эффективными приборами.

Контроль прямых потерь производится с помощью источников излучения и приемников, либо оптически тестером – прибором, сочетающим в себе эти приборы. Тестеры оптических потерь используют источник на одном конце линии и на другом конце линии измеритель мощности. Как и в предыдущих случаях, необходимо проведение измерений в двух направлениях.

Решения в области контроля вносимых потерь широко представлены на российском рынке: EXFO FOT-300/600/930, Viavi (JDSU) OLT-5/6/7, комплекты OMK-5/6/7, Anritsu CMA (CMA-5, CMA-50) - серия ручных приборов, Yokogawa AQ4270/AQ2160 – источник и приемник излучения, соответственно. Приборы от вышеперечисленных производителей имеют различные конфигурации длин волн, некоторые модели имеют возможность сохранения результатов измерения в памяти и последующую передачу данных на ПК. Ценовой диапазон такого рода решения колеблется в районе 2500$ за прибор. Необходимо помнить о необходимости использования двух приборов.

Немаловажным параметром также является уровень обратного отражения. Волокно и оптические компоненты имеют определенный уровень обратных отражений. Отраженная мощность в основном возникает в результате Френелевских отражений, а также из-за локальных изменений показателя преломления, причиной которых являются различные пассивные компоненты ВОЛС. Согласно стандарту Telcordia общий уровень ORL должен быть менее −40 дБ, в действительности же попадание в диапазон от −30 до −35 дБ является достаточным. Для его уменьшения на сетях нашли широкое применение коннекторы с наклонной полировкой (APC) вместо традиционных с прямой (UPC). 

Контроль ORL ранее осуществлялся при помощи измерителей обратных потерь,  например, EXFO BRT-320A и Viavi ORL-55. Сейчас же более популярными решениями являются многофункциональные тестера, позволяющие проводить измерения не только ORL, но и вносимые потери и длину трассы. EXFO FOT-930 и MaxTester 940/945 – приборы, осуществляющие измерение вышеперечисленных параметров линии в обоих направлениях. У EXFO имеется модульная реализация тестера FOT-930 – модуль FTB-3930, совместимый с платформами FTB-2/500. Компания Viavi имеет аналогичное решение – многофункциональный тестер OFI-2000, также в линейке Viavi есть модульное решение для контроля вносимых потерь и ORL для платформ MTS-6000/8000. Цена на такого рода приборы начинается с 5000$.

Контроль потерь в ВОЛС производиться посредствам оптических рефлектометров (OTDR). OTDR позволяет выявлять наличие и определять местоположение дефектов, которые влияют на характеристики линии: изгибы и зажимы волокон, некачественные сварки и соединения, несовпадение модовых диаметров и т.п. Определенные виды дефектов, такие как несовпадающие диаметры сердцевин, имеют различные значения потерь в зависимости от направления распространения излучения. Именно поэтому рекомендуется проводить рефлектометрические измерения в обоих направлениях.

В России популярно оборудование следующих марок EXFO, Viavi (JDSU), Yokogawa, Anritsu, Agilent и др.

Нельзя не отметить отличительную особенность решений ведущих компаний – реализацию принципа «модульности» - функциональные особенности прибора определяет тот или иной модуль, установленный в базовый блок, имеющий определенное количество слотов для установки модулей. Базовые блоки по своей сути не являются измерительными приборами, а обладают встроенным ПК и набором интерфейсов для передачи данных, решения некоторых производителей имеют возможность встраивания в базовые блоки приемников мощности и других аксессуаров.

Компания Viavi (JDSU) на российский рынок поставляет следующие решения: минирефлектометр MTS-6000 Lite – легкий, компактный, имеет большой дисплей – 8,4 дюйма и отличные характеристики; платформы: компактную MTS-6000 и универсальную MTS-8000. Платформы имеют широкий выбор универсальных рефлектометричских модулей с богатым выбором длин волн и широким разбросом динамического диапазона при отличном разрешении и малых мертвых зонах.

В линейке канадской компании EXFO имеется широкий выбор рефлектометров, начиная от компактных решений – MAX-700C (мини-рефлектометр, обладающий отличными характеристиками при весе всего 1,5 кг), заканчивая универсальными системами, представителем которых является FTB-500 – базовый блок с возможностью установки различного типа сменных модулей, включая рефлектометрические решения. Отдельного внимания заслуживает FTB-2 – компактная модульная платформа, имеющая возможность установки до 2-х модулей. EXFO выпускает большое количество рефлектометрических модулей, отличающихся друг от друга набором длин волн и различным динамическим диапазоном (до 50 дБ). В линейке модулей имеются комбинированные решения по тестированию одномодовых и многомодовых линий. Рефлектометрические модули от EXFO универсальны, могут быть использованы как в FTB-2, так и в FTB-500. 

Японская компания Yokogawa также поддерживает принцип модульности: AQ7270 – портативный базовый блок, имеющий широкий выбор модулей OTDR. Модули для AQ7270 могут иметь в своем составе от одной до 4-х различных длин волн. Характерной особенностью рефлектометра AQ7270 является встроенная компенсационная катушка длиной 100 метров. AQ7275 – более совершенная модель рефлектометра от Yokogawa, имеющая более совершенные характеристики, по сравнению с AQ7270 (более стабильный источник OTDR, увеличенное время автономной работы и т.п.). Компактным решением компании Yokogawa является модель AQ7260 – при небольшом размере, рефлектометр имеет большой дисплей, диагональ 8.4 дюйма. 

Компания Anritsu представлена рефлектометрами CMA4500, CMA5000 и мини рефлектометром MW9076. CMA4500 – решение с встраиваемым на заводе модулем; базовый блок CMA-5000 имеет модульную конструкцию и широкий выбор модулей OTDR с разбросом динамического диапазона до 50 дБ. MW9076 – компактное решение со встраиваемым на заводе модулем OTDR, прибор имеет достойные характеристики при небольшом весе и размерах. 

Решения ведущих производителей в области рефлектометрии имеют динамический диапазон до 50 дБ, малые мертвые зоны – 0,8 метра, компактные решения имеют чуть меньший динамический диапазон при аналогичных характеристиках по точности проведения измерений, что делает их незаменимыми для контроля сетей FTTH.

Из-за локальных изменений показателя преломления (называемых секциями двойного лучепреломления), два поляризационных состояния света распространяются с различными скоростями, что приводит к расширению импульса со временем и расстоянием, и в конечном итоге увеличивает BER (коэффициент битовых ошибок). Физические стрессы в кабеле создают локальные изменения показателя преломления, что в итоге приводит к возрастанию поляризационной модовой дисперсии (ПМД). Ввиду того, что ПМД влияет на ширину полосы пропускания волокна, стандартами предписывается максимальное приемлемое значение ПМД в линии для каждой конкретной скорости передачи.

Скорость (Гбит/с)	Макс. ПМД *(пс)	ПМД коэфф.*(пс/√км)
2.5	40	< 2.0
10	10 (без FEC**)	< 0.5
40	2.5	< 0.125

* Стандарты предписывают значение только для 10 Гбит/с. Тем не менее, значения для других скоростей передачи также приняты в отрасли.

** Большинство магистральных приборов выполняют прямую коррекцию ошибок (FEC).

Среди анализаторов ПМД поставляемых на российский рынок можно выделить следующие приборы:

Хроматическая дисперсия (ХД) представляет собой изменение скорости света (групповой скорости) в зависимости от длины волны. Это приводит к тому, что импульсы света при распространении в волокне становятся шире вплоть до наложения друг на друга, что приводит к возникновению ошибок. ХД является ограничивающим фактором для высокоскоростной передачи и требует соответствующих мер по компенсации и процедур тестирования. Поскольку ХД влияет на ширину полосы пропускания волокна, для линии приняты допустимые уровни дисперсии, в зависимости от скорости передачи. Ниже приведены примеры значений:

Скорость (Гбит/с)	Макс. ХД (пс/нм)
2.5	18 817
10	1176
40	73.5

Решения в области тестирования ХД по аналогии с другими приборами ведущих производителей выполнены в модульном варианте:

— EXFO FTB-5800 – модуль анализатора ХД для модульной платформы FTB-500 – работает в паре с широкополосным источником излучения FLS-5800. Данный прибор позволяет вести высокоточные измерения ХД через усилительные каскады EDFA. Стоит отметить решение EXFO в области тестирования ПМД/ХД модуль FTB-5700 –комбинированный модуль, позволяющий проводить измерения двух видов дисперсий, используя один прибор. Особенностью модуля является одностороннее измерение с использованием всего одного тестирующего порта. Модуль совместим с платформами FTB-2 и FTB-500. 
— E5083CD – блок анализатора ХД для платформы MTS-6000/8000 от Viavi  – позволяет проводить одностороннее измерение ХД, а также проводить OTDR анализ на длинах волн: 1310, 1480, 1550, 1625 нм. Для контроля ХД в этом приборе используется рефлектометрической метод. 
— Anritsu  CMA5000-OTDR/CD – модуль для платформы CMA-5000 – аналогично решению компании Viavi, осуществляет измерение ХД, а также рефлектометрический анализ ВОЛС.
По завершении всех вышеперечисленных тестов, следующим логическим шагом будет включение каналов и симуляция реальной передачи. На этом этапе идеальным прибором для тестирования каналов является анализатор спектра. Параметры, проверяемые с помощью OSA, зависят от характеристик сети, спецификации систем и одобренных стандартов. Цена анализатора спектра сильно зависит от разрешения прибора, ориентировочная стоимость OSA с разрешением 0,06 нм -25000-35000$.    

На российском рынке очень большой выбор спектроанализаторов, среди модульных приборов выделить можно:

— EXFO предлагает анализатор спектра в традиционном модульном исполнении для платформы FTB-400 – модули FTB-5240 и 5240B. Данные модули отличаются разрешением – 0,065 и 0,033, соответственно, диапазон измеряемых длин волн: от 1250 до 1650 нм.  
Сервисы Ethernet, являются одной из наиболее быстрорастущих областей в телекоммуникациях. Во всем мире в условиях жесткой конкурентной борьбы и попытках привлечь максимум клиентов, провайдеры активно вводят новые сервисы, основываясь на транспортной технологии Ethernet.  

Для тестирования Ethernet существует стандарт RFC 2544. Стандарт RFC 2544 был разработан рабочей группой по стандартам для сети Интернет (IETF). Стандарт описывает методику контрольных испытаний, проводящихся при отсутствии рабочего трафика, которая позволяет оценить производительность сетевых элементов с помощью проведения измерений пропускной способности, берстности, потери кадров и задержки. Однако в данный момент стандарт морально устарел, и ему на смену приходит новый.

Анализаторы Ethernet в Россию поставляют множество компаний: Digital Lightwave, EXFO, Anritsu, Sunrise Telecom, Viavi. Ввиду роста трафика и перехода  сетей доступа и сетей ЦОД на скорости в 10Гбит/сек, актуальность проведения тестирования на таких скоростях возрастает. Среди анализаторов Ethernet 10G можно выделить следующие продукты:  

— Digital Lightwave NIC Gig-E – анализатор Ethernet 10G, поддерживает тесты RFC-2544, а также тест BER и контроль параметра APS. 

— EXFO FTBx-8870/8880 – модуль анализатора Ethernet 10G поддерживает LAN/WAN интерфейсы, MPLS, RFC-2544 и  Y.1564. Совместим с  платформой FTB-2. Помимо Ethernet поддерживает широкий спектр других технологий:SDH, OTN, CPRI, Fibre Channel

— EXFO FTB-880v2 – компактный модуль для платформы FTB-1v2, имеющий целых два комбинированных порта SFP/SFP+ для всех описанных выше протоколов на скоростях до 10 Гбит/с. 

— Модуль T-BERT Transport Module для платформы MTS-8000 от Viavi - сочетает в себе возможности по тестированию не только Ethernet, но SDH и PDH при малых размерах и весе не более 7 кг.

— Anritsu 5610-000-UTA – модуль 10G Ethernet для платформы CMA5000 – совместим с интерфейсы LAN/WAN, имеет возможность тестирования MPLS – технологии быстрой коммутации пакетов.

Ценовой диапазон решений Ethernet 10G — 20000$.

Также стоить отметить широкое внедрение технологии 100G Ethernet уже не только на магистральных каналах и Metro сетях, но и при строительстве или модернизации “последней мили”, что также порождает необходимость как-то контролировать их при запуске или устранении проблем.

Для этого оптимальным вариантом будет прибор EXFO FTB-890NGE NetBlazer, вобравший в себя достижения всех младших серии, в том числе два комбинированных порта SFP/SFP+. Отдельно стоит отметить наличие интерфейсов CFP4 и QSFP28/QSFP+ для проведения измерений на скоростях вплоть до 112 Гбит/с.

Максимальная производительность сети достигается в несколько шагов, ни один из которых не должен быть пропущен. Использование высокоточных инструментов на каждом этапе тестирования ВОЛС позволит предупредить последующие проблемы сети. Принцип модульности, который диктуют ведущие производители, позволяет строить измерительный комплекс исходя из своих возможностей и необходимости выполнения того или иного вида тестов. Стоит помнить о необходимости проведения тестирования квалифицированными специалистами, что дает вам гарантию получения точных результатов, итогом чего является надежная и бесперебойная передача оптического сигнала и получение качественных сервисов по сетям Ethernet, SDH.