Анализ методов мониторинга показателей качества функционирования волоконно-оптической транспортной сети

3.1 Методы контроля среды передачи волоконно-оптических сети

По мере развития волоконно-оптической технологии телекоммуникаций и интенсивного применения методов мультиплексирования каналов возникает необходимость дальнейшего совершенствования OTDR для работы с сетями, имеющими очень сложную структуру. Рассмотрим эффективный метод анализа, обнаружения и устранения неисправностей на сети путем сравнения реально полученных OTDR данных с информацией, полученной в результате машинного моделирования OTDR измерений.

В настоящее время OTDR являются основными измерительными приборами, используемыми для инсталляции и технического обслуживания линий передачи со структурой “точка-точка”, так как они обеспечивают телекоммуникационным операторам следующие возможности:

- измерение только с одного конца оптического кабеля;

- обнаружение нарушений и определение параметров компонентов ВОЛС по всей длине волокна;

- наглядное представление состояния линии связи.

В связи с этим естественным желанием является использование OTDR и в разветвленных сетях. Однако в этом случае при проведении анализа нескольких каналов результаты измерений становятся слишком сложными для интерпретации и для этого необходима особая процедура тестирования. Для упрощения данной процедуры, используются методы тестирования многоточечных сетей, основанные на поочередном подключении волокон к OTDR через управляемый коммутатор (оптический переключатель), сводя тестирование многоточечных сетей, к тестированию по схеме “точка-точка”. Очевидно, последнее связано с введением дополнительных компонентов в систему контроля, что естественно удорожает ее.

Таким образом следует различать методы:

- одновременного тестирования волокон многоточечных сетей;

- разновременного тестирования волокон многоточечных сетей по свободному ("темному") волокну;

- по активному волокну.

- Рассмотрим данные методы более подробно.

Метод одновременного тестирования оптических волокон в многоточечных сетях. Сложность одновременного тестирования многоточечных сетей обусловлена сложностью анализа сигнала обратного рассеяния на мультиплексорах (коммутаторах) сигналов распределительных сетей. На рис. 3.1. представлена рефлектограмма, полученная при помощи OTDR для восьми входного мультиплексора, подключенного к волокнам различной длины. В результате анализа данной рефлектограммы можно выделить два типа ослабления многоканального сигнала обратного отражения, первый из которых, ас, располагается в месте нахождения мультиплексора, а другой, aFEi, появляется в точке, где заканчивается i -- ее ответвление волокна (это соответствует концу самого волокна). Эти ослабления определяются параметрами волокна, в частности, коэффициентом обратного рассеяния, а также прямыми и обратными потерями вставки мультиплексора. Для упрощения анализа необходимо принять несколько положений:

- различные кабели, присоединенные к мультиплексору, имеют идентичные характеристики, т. е. их коэффициенты обратного рассеяния и ослабления равны;

- имеет место симметричное двунаправленное протекание процесса мультиплексирования -- демультиплексирования, т. е. мультиплексор имеет одни и те же характеристики при работе в обоих направлениях.



Рис. 3.1. Результат тестирования сети с участком мультиплексирования

Учитывая принятые допущения, значения ослабления в месте установки мультиплексора можно определить, используя выражения [2.3]:

ас =5log(m ) + адоп, (3.1)

aFEi =51og((m-i + l)/(m-i)), (3.2)

где бдоп и т -- избыточные потери и количество выходов ответвителя; i- номер анализируемого ответвления.

В этом случае метод тестирования включает этапы обучения, анализа и идентификации оптического волокна.

Первый этап основан на имитации оптической сети с помощью OTDR и может быть использован для моделирования измерений, как на одно-канальных, так и многоканальных сетях связи. В дополнение к стандартному моделированию оптических волокон, коннекторов, сращиваний и аттенюаторов алгоритмы программного обеспечения позволяют синтезировать пxт мультиплексоры на основе приведенных выражений для расчета ослабления ас и aFE1.

В связи с этим первый этап включает:

- моделирование измерений, проводимых с помощью OTDR, в результате которого получают рефлектограмму и соответствующие ей данные;

- проведение измерений в реальных полевых условиях, в результате которых также получают рефлектограмму и соответствующие ей данные;

- сравнение полученных результатов и сохранение данных.

На первом этапе получают схему контролируемых участков сети с указанием точек данных рефлектограммы а также список отражательных и неотражательных событий.

Второй этап проводится в условиях инсталляции, мониторинга или технического обслуживания сети, а именно:

- в процессе мониторинга, если система обнаруживает отклонения полученной рефлектограммы от эталонной;

- при прохождении трафика, если обнаруживаются неисправности сети и возникает необходимость установления их местонахождения и оценки серьезности нарушений.

В обоих случаях метод заключается в сравнении текущей и опорной рефлектограмм.

На третьем этапе проводится сравнение имеющих место событий, включающих:

- затухание или ослабление отражения Френеля при отклонении отражательного события на конце оптического волокна (рис. 3.2), которые позволяют напрямую идентифицировать связанное с этим событием ответвление волокна;



Рис. 3.2. Идентификация волокна по отражению Френеля

Рис. 3.3. Идентификация волокна по ослаблению отражения

- отклонение значения ослабления на участке волокна (рис. 3.3), позволяющее определить волокно, которое заканчивается на том же самом расстоянии, на котором имеющее место отклонение исчезает.

После выявления отклонение текущей рефлектограммы от эталонной, определяется местонахождение неисправности и производится ее идентификация.

Оценка ложного ослабления. Ввиду смешения множества каналов могут иметь место ложные ослабления, поэтому изменение ослабления не всегда можно определить напрямую (рис.3.4). В этом случае, для идентификации неисправности используется моделирование сети с введенным в соответствующий канал виртуальным аттенюатором, увеличивая его ослабление до такого уровня, при котором будет иметь место адекватное отклонение эталонной рефлектограммы. Последующий анализ результата моделирования позволяет установить является ли полученное ослабление ложным.

Необходимо отметить степень их точности измерения и имеющиеся ограничения. Очевидно, что основным источником ошибок является адекватность используемых моделей и погрешности ввода данных. При проведении измерений на пассивных оптических сетях с высоким уровнем мультиплексирования следует учитывать, что уровень обратного рассеяния зависит от местонахождения неисправности по отношению к концам волокон.Если сеть имеет множество ветвлений, динамический диапазон OTDR может быть недостаточным для получения кривой обратного рассеяния по всей длине соединения. Если сеть не имеет ответвлений со сходными интервалами, тогда OTDR может не обнаружить различные события и ответвления. При этом необходимо использовать другие методы.

Метод разновременного тестирования оптических волокон в многоточечных сетях. Основание на классическом OTDR измерении соединения точка-точка сформированного соответствующей коммутацией оптических переключателей. Поэтому пользователю доступны все функции, обеспечиваемые рефлектометром, мониторинг фактически является работой с OTDR в режиме дистанционного управления, что позволяет обрабатывать, анализировать и производить измерения, имея в своем распоряжении широкие возможности выделения и идентификации отклонений текущей рефлектограммы относительно эталонной. При этом в качестве эталонной рефлектограммы может служить как рефлектограмма полученная на стадии инсталляции, так и рефлектограмма полученная ранее в процессе эксплуатации системы. Не усложняя процедуры обработки рефлектограмм, обеспечивая более высокую точность идентификации нарушений оптических волокон, данный метод тестирования позволяет использовать все функции OTDR измерений, включая:

- измерения потерь, отражений и расстояний;

- управление маскированием измерений;

- автоматическое измерение с обнаружением порогов, полуавтоматическое измерение с маркерами, ручное измерение с курсорами;

- локализацию случаев нарушений соединений, отражений и обнаружение конца волокна;

- автоматическое обнаружение призрака.

Технические характеристики мониторинг в этом случае определяются параметрами используемого OTDR, в частности, его динамическим диапазоном и разрешающей способностью, а организация собственно тестирования, зависит от того, проводится ли тестирование по пассивным или по активным волокнам.

3.2 Тестирование BER, пассивных и активных оптических волокон

В цифровых сетях одним из наиболее важных параметров качества обслуживания (QoS) является BER. При передаче цифрового трафика по ВОЛТ единственная возможность измерить BER - использовать электрический эквивалент светового сигнала. Здесь, первым шагом в осуществлении тестирования BER является формирование электрического эквивалента светового сигнала путем использования детектора света в приемнике.

Сначала мы рассмотрим BER-тест без использования светового оборудования. Электрический сигнал может иметь форму сигнала сети SONET/ SDH или PDH. В этом случае лучше использовать поток Е1 так как в качестве этого потока может быть взят сервисный поток, этот же тип потока генерируется и BER-тестерами - 2048 кбит/с. В общем случае для теста используется псевдослучайная двоичная последовательность. Если мы разорвем участок тестируемой сети и выведем некую последовательность бит, то она будет выглядеть как случайная последовательность. Можно показать, что использование случайного потока бит является наиболее надежным методом тестирования BER.

При тестировании на удаленном конце с использованием Е1 выхода мультиплексора можно применить петлю. Ее организация состоит в том, что мы берем демультиплексированный поток бит с выходного порта канала Е1 и подаем его во входной порт канала E1 мультиплексора, передающего поток в обратном направлении. Эта процедура показана на рис. 3.4.

Рис. 3.4. Схема организации тестирования BER с применением петли (на удаленном конце)

Канал приема, при использовании мультиплексора на ближнем конце линии, должен принять двоичный поток, на котором осуществляется замер ВЕR. При условии что на линии при тестировании не должно быть сбоев. Выход демультиплексора приемного канала соединен непосредственно с оборудованием тестирования BER, и показания BER-тестера считываются и записываются. Предполагая, что линия работает нормально, заметим, что существуют ряд показателей работоспособности системы, которые могут влиять на BER: выходная мощность передатчика; установка порога приемника на удаленном конце; установка выходной мощности передатчика на удаленном конце; установка порога приемника на ближнем конце; параметры регенератора, если он используется на тестируемой линии; параметры оптических усилителей, если они используются на тестируемой линии.

Какой уровень BER требуется в соответствии со спецификацией линии? Где он будет измеряться? Пороги приемников устанавливаются в соответствии с значением. Установленным спецификацией которые сравниваются с значениями, используемыми в бюджете линии. Уровень BER должен быть где-то в районе 10-10 или 10-12. Высокоскоростные линии, (скорости 10 и 40 Гбит/с), требуют лучших значений BER, скажем на уровне 10-15. Необходимо тестирование BER и вам требуется уровень BER порядка 10-15, спросите себя: «Сколько я должен ждать (исходя из статистики) до момента появления первой ошибки?» Допустим, что скорость на линии 1 Мбит/с и требуемый уровень BER - 10-12. Тогда ответ в секундах будет: (l/BER)/Bit rate [с] или 1012/106 = 106 с. Это соответствует 277 часам (106/60/60=277) или 11,57 дням. Для измерение BER обычно используется псевдослучайный сигнал со скоростью 2,048 Мбит/с, что дает 5,657 дня. Для тестирования цифровых систем стандартами ITU-T предусмотрены интервалы: 12 часов, 1 сутки и 7 суток. Для обуродования со скоростями 10 Гбит/с, BER устанавливается на уровне не лучше 10-12 .

В случае, если линия несет несколько световых каналов (WDM) каждый канал должен измеряться идентично. При этом разница в уровне каналов не должна быть больше 2 дБ.

Так как BERT -- это электрический тест то нужно использовать детектор света, чтобы перевести сигнал из оптической в электрическую область. Другие процедуры позволяют использовать собственный приемник линии. Это обязательно нужно для контроля окончательного значения BER линии.

Контроль ОК по пассивным оптическим волокнам основан на тестировании резервного волокна оптического кабеля (рис. 3.5.) при длине волны лтраф оптического луча трафика, независимой от длины волны лтест тестирующего оптического излучения.

Рис. 3.5. Метод контроля оптического кабеля по резервному волокну

Применение данного метода при своей очевидности и простоте реализации обуславливает необходимость дублирования инфраструктуры контроля гипотетического волокна, отражающего свойства всего кабеля и позволяет выявить до 90% его нарушений.

На рис. 3.6 показана схема организации контроля ОК по пассивным оптическим волокнам, где ТХ и RX, соответственно передающее и приемное сетевые устройства, RTU -- устройство удаленного контроля оптических волокон, а OTAU - оптический переключатель, обеспечивающий доступ к контролируемым волокнам.



Рис 3.6. Схема организации контроля оптических кабелей по резервному волокну

Значение времени Т, необходимого для контроля N кабелей контролируемой зоны сети, в данном случае равно

где г -- число рефлектометров; tt -- значение времени тестирования i-ого кабеля: i = 1.2.3 N.

Рассмотрим варианты тестирования по активным оптическим волокнам. Для передачи данных в ВОЛС обычно применяются 1310 нм или 1550 нм длины волн оптического излучения. Следовательно, для контроля состояния волокон было бы целесообразным использовать лтест = 1550 нм при длине волны лтраф= 1310 нм, или лтест = 1310 нм -- при передаче на длине волны лтраф = 1550 нм. В то же время по экономическим соображениям, вызванным необходимостью увеличения емкости каналов передачи данных, часто используются обе указанные длины волн лтраф1 = 1310 нм и лтраф2 = 1550 нм. В последнем случае для контроля необходимо использовать иную длину волны, например, лтест = 1625 нм, которая значительно отличается от используемых для передачи данных и, как следствие, может быть эффективно выделена на приемной стороне линии связи.

С этой целью на передающей стороне ВОЛС (рис. 3.7.) вводятся сажать с WDM, объединяющие длину волны тестирующего излучения с длиной волны передачи данных сетевым оборудованием NE, а для исключения взаимного влияния процессов передачи данных и контроля оптического волокна в схему вводятся фильтры F2 и F3. Последние предотвращают попадание тестирующего излучения на входы NE, а излучения передачи данных -- на OTDR. Схема организации контроля по активным волокнам в этом случае имеет вид, представленный на рис. 3.8.

Рис. 3.7. Метод контроля оптического кабеля по активному волокну



Рис. 3.8. Схема организации контроля оптических кабелей активным волокнам

Применение длин волн 1310 нм, 1550 нм и 1625 нм вызвано тем, что в этом случае оптические компоненты, используемые, в волоконно-оптической технике обеспечивают наиболее низкие потери передачи, хорошую изоляцию и наилучшее подавление отраженных волн.

Дальнейшее развитие метода контроля оптических кабелей по активным оптическим волокнам основано на использовании большего количества длин волн оптического излучения, распространяющегося по волокну и предусматривает применение мультиплексоров по длине волны -- WDM. При таком решении одна длина волны может использоваться для тестирования волокна, а остальные -- для передачи данных. Схема организации контроля оптических кабелей по активным оптическим волокнам с передачей данных на двух волны - 1310 нм и 1550 нм и тестировании на 1625 нм приведена на рис. 3.9. На этой схеме LPF и SPF представляют собой оптические фильтры длинных и коротких волн, соответственно нижних и верхних частот, a OS -- оптический коммутатор, обеспечивающий необходимую последовательность подключения оптических волокон к RTU.

Рис, 3.9. Схема организации контроля оптических кабелей по активному волокну с передачей данных на двух длинах волн.

При наличии в ВОЛС регенерационных участков, а также в случае необходимости исключения оборудования на этапе контроля должен быть предусмотрен обход данных участков, который осуществляется согласно рис. 3.10 и рис. 3.11.

Учитывая вышеизложенное, можно привести выражение для расчета времени Т тестирования контролируемой зоны сети с активными волокнами:

(3.3)

где ml -- количество волокон в i-ом кабеле; tt -- время тестирования одного волокна кабеля; i -- номер тестируемого кабеля.



Рис. 3.10. Схема организации обхода регенерационных участков при контроле оптических кабелей по активному волоку

Рис. 3.11. Схема организации обхода оборудования при контроле оптических кабелей по активному волокну

По сравнению с рассмотренным выше методом контроля оптических кабелей по пассивному волокну, метод контроля по активному волокну дает практически 100%-ную гарантию обнаружения неисправностей кабеля и отличается более высокой стоимостью реализации из-за введения в линию связи WDM и F. Поэтому применение последнего метода оказывается целесообразным для тестирования ответственных волокон или в том случае, когда для передачи данных используются все волокна кабеля.

Основные требования к параметрам 0TDR.

Возможности системы контроля в значительной степени определяются параметрами 0TDR, что требует рассмотрения основных характеристик OTDR исходя из требований измерений.

Динамический диапазон измерений.

Динамический диапазон измерений является основной характеристикой рефлектометра, так как он определяет максимальную наблюдаемую длину оптического волокна. Учитывая, что данный параметр не имеет однозначной интерпретации, а мощность световой волны изменяется в связи с затуханием и числовой апертурой волокна, лучше определить значение, которое не зависит от параметров волокна.

Разрешающая способность

По обратному рассеянию. Ввиду преобразований входного сигнала разрешающую способность измерения достаточно сложно определить. Фактически, если определять разрешающую способность в дБ, то это значение будет зависеть от уровня сигнала в отметке, где могут быть различимы два близлежащих нарушения волокна

Дl = (3.4)

По локализации неисправности. С энергетической точки зрения отраженная мощность р является функцией длительности импульса ф, т. е. чем больше значение ф, тем выше уровень р и, следовательно, шире динамический диапазон. В то же время, разрешающая способность также является функцией ф и может быть представлена в виде:

Дl = (3.5)

Поэтому длительность импульса нельзя беспредельно увеличивать, так как при этом будет расти ?l, что, естественно, ограничит возможность выделения двух близлежащих нарушений в волокне. Так, при ф = 100 нс, разрешающая способность OTDR равна ?l = 10 м, что позволяет лишь утверждать, что различимая мощность отраженной волны находится в пределах ?l и не точнее. Следует отметить, что дифференциальное модальное изменение коэффициента распространения изменяет форму импульса и нарушает значение ?l.

Точность. Ввиду того, что основной задачей удаленного контроля оптических кабелей является установление точного местоположения неисправности волокна, наиболее жесткие требования предъявляются к так называемой точности OTDR по расстоянию (Total Distance Accuracy), которая может быть определена в соответствии с выражением

?=?1+?2*L+?3, (3.6)

где ?, -- ошибка смещения (offset error); ?2 - ошибка масштабирования (scale error); ?3 - ошибка дискретизации (sampling error); L -дистанция (измеряемое расстояние).

3.3 Мониторинг несанкционированного доступа к ВОЛС

Волоконно-оптические кабели (ВОК) в настоящее время считаются самой совершенной и перспективной средой для передачи высокоскоростных информационных потоков на значительные расстояния. В этой связи все большую актуальность приобретает задача выявления и нейтрализации несанкционированного доступа (НСД) к ВОК, которая на практике решается применением систем мониторинга волоконно-оптических линий связи (ВОЛС) на базе средств оптической рефлектометрии.

Принципиальным моментом в направлении построения систем мониторинга НСД ВОЛС является ответ на вопрос: Существует или нет корректное решение задачи гарантированного обнаружения несанкционированного доступа к рабочему волокну ВОЛС в условиях априоритетной неопределенности относительно знания методов и средств НСД при известных технических параметрах средств мониторинга?

Аспекты защищенности ВОЛС от несанкционированного доступа и задачи рефлектометрического мониторинга.

Считается, что волоконно-оптические линии связи обеспечивают максимальную защищенность от средств несанкционированного доступа к кабельным линиям связи. Можно выделить ряд особенностей, способствующих данному обстоятельству:

- относительно высокая эффективность мониторинга ВОЛС на базе оптической рефлектометрии, являющаяся следствием малых погонных потерь [дБ/км] при распространении оптических сигналов в волокне;

- сложность доступа к световоду при разделке оптического кабеля с сохранением целостности оптических волокон (ОВ);

- относительно малые габариты световодов (внешний диаметр оболочки из кварцевого стекла стандартного волокна равен 125 мкм);

- технологические проблемы доступа к сердцевине ОВ, обусловленные трудностями механической обработки или химического травления кварцевого стекла.

Относительно короткие длины волн оптических сигналов позволяют минимизировать габариты оптических волноводов, что серьезно усложняет технологический процесс сопряжения технических средств НСД с рабочим волокном из-за прецизионных требований к точности подобного сопряжения. Потенциально наибольшую защищенность трафика ВОЛС от НСД обеспечивает одномодовое ОВ, в котором реализуется ммаксимум удаленности поверхности цилиндрического волокна от «энергетически насыщенной» сердцевины при экспоненциальном характере спада поля фундаментальной моды оптического излучения в радиальном направлении, начиная от границы раздела сердцевина-оболочка. При отсутствии изгибов ОВ несанкционированный объем оптических сигналов в типовом волокне за пределами его внешнего диаметра по энергетическим соображениям практически исключен, поскольку поле моды в радиальном направлении при r ?25 мкм ничтожно мало. В этом случае несанкционированный доступ к трафику ВОЛС в одномодовом волокне с большим запасом невозможен даже при использовании идеального оптического приемника НСД с чувствительностью на входе, соответствующей квантовому пределу. Изгиб ОВ, как известно, позволяет в той или иной мере нарушить симметрию поля моды относительно продольной оси, сдвигая его в радиальном направлении. Это позволяет увеличить уровень поля моды с внешней стороны изгиба волокна, а также приводит к частичным потерям на излучение оптических сигналов, поскольку фронт собственной волны волновода при изгибе начинает двигаться быстрее, чем плоская волна в свободном пространстве.

Поэтому НСД, основанный на изгибе ОВ, является одним из наиболее простых и распространенных способов доступа к оптическим сигналам ВОЛС, хотя и имеет относительно низкий к.п.д. энергетического объема. При изгибном методе, помимо сигнальных потерь на излучение, имеются потери, обусловленные наличием двух зон перехода прямолинейного участка волокна (бесконечный радиус изгиба) в конкретный изгиб (Rизгб) которые аналогичны по физической сути оптическим потерям, при сварке двух идентичных оптических волокон в случае нарушении и безопасности. Данные потери являются следствием отмеченного выше нарушения симметрии поля основной моды ОВ относительно оси сердцевины

Методы несанкционированного доступа к прямолинейному (без изгибов) рабочему волокну, как правило, базируются на существенно более сложных технологиях, обеспечивающих минимизацию дистанции оптического взаимодействия с полем моды рабочего волокна в радиальном неправлении с очевидной целью повышения отношения сигнал шум на входе приемника НСД. Подобные методы обычно основаны на физических принципах, используемых при изготовлении оптических разветвителей. В типовых волоконных разветвителях период биений взаимодействия оптически связанных волноводов (световодов) существенно зависит от расстояния между их продольными осями симметрии. Поэтому данных технология включает в себя частичное снятие оболочки с сопрягаемых волокон и последующую их термическую вытяжку, что позволяет минимизировать расстояние между центрами ОВ.

Укрупненная схема подключения к рабочему волокну рефлектометра (OTDR) системы мониторинга, передающего и приемного модулей ВОЛС, а также, приемного тракта системы НСД приведена на pиc.3.7. В рассматриваемом контексте основной стратегической задачей рефлектометрического мониторинга является обнаружение и локализация оптических потерь в рабочем волокне ВОЛС, вызванных ответвлением средствами НСД части оптического излучения информационного потока (трафика). Рассматривается импульсный рефлектометр на основе обратного релеевского рассеяния оптического излучения, обладающий в настоящее время максимальным динамическим диапазоном при обнаружении, и локализации оптических потерь в ОВ.

Основными характеристиками рефлектометра являются чувствительность и пространственное разрешение. Чувствительность рефлектометра принято характеризовать величиной его динамического диапазона, а пространственное разрешение длительностью импульса и шириной мертвой зоны. Максимальный динамический диапазон Dмакс рефлектометра, реализуется при наибольшей задаваемой оператором длительности излучаемых в ОВ импульсов и максимальном времени осреднения принимаемых импульсов. Типовое значение параметра Dмакс для современных рефлектометров приблизительно находится в интервале 40...45 дБ. Теоретический предел при типовых значениях длительности импульсов и времени их осреднения равен - 60 дБ.

Основными ограничивающими факторами увеличения динамического диапазона являются ограничения физического характера на предельную мощность излучения оптических сигналов в типовом волокне и пороговую чувствительность приемного тракта. Предельная мощность излучения для типовых одномодовых ОВ ограничена уровнями 20 дБ (выше которых проявляются нелинейные эффекты, приводящие к существенным оптическим потерям). Максимальная пороговая чувствительность ограничена так называемым, квантовым пределом, которому современные лавинные фотодиоды, используемые в приемных трактах OTDR, уступают порядка 10 дБ. Возможности оптической рефлектометрии в настоящее время и обозримом будущем определяются именно этими оценками.

Основной задачей системы мониторинга с точки зрения ее взаимодействия с ВОЛС является минимизация «паразитного» влияния излучения ОТDR на качество информационного потока, прежде всего на параметр (ВЕR), характеризующий битовые ошибки. Эта задача на практике кардинально решается разнесением диапазонов оптических длин волн, используемых в ВОЛС и ОТDR. Одним из негативных моментов данного обстоятельства является некоторое снижение при этом помехоустойчивости OTDR при обнаружении НСД, поскольку оптимальные длины волн (с точки зрения минимизации оптических потерь л [дБ/км]), как правило, заняты оборудованием ВОЛС. Полные оптические потери А для ОТDR линии протяженностью L равны:

A=лрефL

Где лреф - погонные потери ОТDR в волокне [дБ/км] на длине волны лреф.

Для обнаружения рефлектометром локальных оптических потерь в волокне в произвольной точке трассы ОВ с уровнем а необходимо иметь на его входе отношение сигнал шум, равное [2.3]:

В=5lоg(4/а)



Рис. 3.12. Схема подключения оборудования ВОЛС, средств мониторинга и НСД к рабочему волокну

Очевидно, что для обеспечения требуемого для обнаружения НСД отношения сигнал шум В на входе OTDR на участке ВОЛС протяженности L, необходимо иметь запас динамического диапазона рефлектометра равный

Dмакс -A ?B или Dмакс -лрефL? 5 log (4/а)

Стратегия взаимодействия функционирующих средств НСД с ВОЛС заключается в частичном ответвлении из рабочего ОВ трафика ВОЛС с минимально достаточным качеством (энергетические уровнем на входе приемника НСД, соответствующим минимальные требованиям к битовым ошибкам (BER)).

Стратегия взаимодействие системы НСД с системой мониторинге заключается в минимизации «рефлектометрической заметности» несанкционированного доступа к рабочему волокну.

Упомянутые стратегии взаимно противоречивы, поскольку стремление повысить качество отводимого системой НСД трафика ВОЛС однозначно требует повышения отношения сигнал шум на входе приемника НСД, что автоматически влечет за собой увеличение доли отводимой из волокна оптической мощности. Это приводит к росту оптических потерь в рабочем волокне и, следовательно, увеличению отношения сигнал/шум на входе приемного тракта OTDR. Поэтому центральной задачей для технических средств НСД является совершенствование следующих принципиальных характеристик:

- пороговой чувствительности приемного тракта НСД;

- коэффициента полезного действия при «отводе» трафика из ОВ з, определяющего уровень «непроизводительных» энергетических потерь.

Коэффициент полезного действия з в данном случае зависит от конкретного используемого метода НСД и совершенства технологии доступа к волокну и определяет уровень «непроизводительных» энергетических потерь.

Пороговую чувствительность приемного тракта НСД, по аналогии с чувствительностью OTDR, целесообразно принять равной пороговой чувствительности современного лавинного фотодиода ~1014 Вт/Гц, которая приблизительно на 10 дБ уступает квантовому пределу. Очевидно оптические диапазоны длин волн, используемые средствами НСД и ВОЛС, совпадают. Для решения задачи предлагается естественная идеализация технических средств и технологий НСД, базирующаяся на ограничениях физического характера. С этой целью предлагается принять величину пороговой чувствительности потенциального приемника НСД равной квантовому пределу, а коэффициент его полезного действия при ответвлении трафика ВОЛС, равным единице (з=1). Благодаря подобной идеализации, создаются объективные предпосылки для корректной постановки и решения поставленной задачи реальными средствами мониторинга ВОЛС в условиях априорной неопределенности относительно знания конкретных методов и средств несанкционированного доступа к волокну.

Энергетические оценки мониторинга НСД.

Несложно убедиться, что оптические потери а в ОВ связаны с долей отводимой на вход приемника НСД мощности q соотношением

a=10lg(1-q)

или в логарифмическом масштабе

а =10 lg (1-100.1(1-q))

где q выражено в |дБ]

Графическая зависимость вносимых средствами НСД потерь а от доли отводимой мощности q приведена на рис. 3.13.

Рис. 3.13. Зависимость вносимых средствами НСД оптических потерь от доли отводимой из волокна мощности

Из формулы (3.3) следует соотношение, определяющее предельную дистанцию обнаружения рефлектометром, функционирующих средств НСД

Lреф = (Dреф -5 log (4/a))/лреф

Из соотношений (3.4) и (3.6) получаем формулу, связывающую предельную дистанцию обнаружения рефлектометром НСД с (динамическим диапазоном рефлектометра и долей отводимой из волокна несанкционированной мощности q.

Lреф = (Dмакс -5 lg (4/10(1-q)))/лреф

НСД от доли отводимой из ОБ мощности для разных значений динамического диапазона рефлектометра (лволс=1,55 мкм; лреф=1,31 мкм) (рис. 3.14).

Рис. 3.14 Зависимость предельной дистанции ОТОЯ обнаружения средств

На рис. 3.14 приведены графические зависимости, связывающие предельную дистанцию обнаружения НСД Lреф с долей отводимой из волокна мощности q для двух значений динамического диапазона рефлектометра Омакс=40дБ и 30дБ при лволс =1,55 мкм; лреф =1,31 мкм. В проведенных расчетах использовались типовые значения погонных оптических потерь для рассматриваемых длин волн сигналов в одномодовом волокне лреф = 0,34 дБ/км; л волс = 0,20 дБ/км. Очевидно, что при выполнении условия Lнсд ? Lреф функционирующие средства НСД всегда будут обнаружены рефлектометром системы мониторинга ВОЛС.

До сих пор рассматривалась ситуация, когда доля отводимой из ОВ мощности оптических сигналов превышала минимальный измеряемый порог оптических потерь для типового ОТDR, равный = 0,01 дБ. Естественно возникает закономерный вопрос: Что будет в случае, когда вносимые средствами НСД потери меньше регистрируемой ОТDR величины aмин?

Рассмотрим ситуацию, когда идеализированный приемник НСД работает в режиме очень малых по уровню входных сигналов, когда доля отводимой из рабочего волокна мощности, соответствует потерям в волокне, не превышающим амин=0,01 дБ. Пусть пороговая чувствительность идеализированного приемника НСД на 10 дБ выше чувствительности приемника ВОЛС. Рассмотрим случай, когда приемники ВОЛС и НСД расположены в конце участка трассы ВОЛС, т.е. Lнсд = Lволс (максимальная удаленность средств НСД от ОТDR), причем требования к битовым ошибкам (ВЕР) для них совпадают. Приравняем коэффициент полезного действия средств НСД единице ()=1). Введем в рассмотрение коэффициент энергетического запаса на данном участке ВОЛС kволс, который на практике всегда присутствует с целью энергетической компенсации роста интегральных оптических потерь на участке ВОЛС из-за воздействия всевозможных дестабилизирующих факторов. Это означает, что при росте на данном участке оптических потерь до величины к еще будут выполняться минимальные требования к битовым ошибкам (ВЕR), зависящим от отношения сигнал/шум на входе приемника ВОЛС. Чтобы для приемника НСД параметр ВЕР был в минимально допустимых пределах, необходимо чтобы отношение сигнал/ шум на его входе совпадало со значением данного параметра для приемника ВОЛС в ситуации, когда вследствие роста интегральных потерь в линии энергетический запас kволс будет исчерпан. Отсюда следует, что в данных обстоятельствах идеальный нормально функционирующий приемник НСД может иметь уровень сигнала на входе меньший по сравнению с приемником ВОЛС на величину запаса КНСД определяемого как

kнсд ? k волс +10 дБ,

Из (3.4) следует, что для обеспечения необходимой помехоустойчивости функционирования средств НСД доля отводимой из ОВ мощности должна удовлетворять

10lg (1-q) < 0,01 => q < 0,0023 или q < - 26,38 дБ

Поскольку рассматривается вариант равной удаленности приемников ВОЛС и НСД от передающего модуля (Lнсд = Lволс), то здесь параметр q одновременно характеризует отношение энергетических уровней сигналов на входах приемников НСД и ВОЛС. Отсюда следует, что если запас чувствительности приемника НСД kнсд < 26,38 дБ, то функционирование средств НСД в конце участка ВОЛС становится невозможным по причине недостаточной чувствительности приемника. С учетом (3.8) последнее утверждение можно записать в следующем виде

kволс< 16,38 дБ

В подавляющем числе практических приложений условие (3.10) выполняется, поэтому для обеспечения минимально достаточной помехоустойчивости приемника НСД потребуется сдвинуть по дистанции место его подключение к ВОЛС в сторону передающего модуля на расстояние Д Lнсд ? (16.38-kволс) / лволс

Очевидно, что если одновременно выполняется

ДLнсд>0; L нсд >Lволс,

то функционирование средств НСД становится невозможным ни в одной точке трассы Lволс по причине недостаточной помехоустойчивости.

Функционирующие средства НСД не будут обнаружены ни в одной точке данного участка ВОЛС, если выполняется

ДLнсд<0

что эквивалентно отсутствию системы мониторинга. Если же выполняется

Lнсд>о; Lнсд<Lволс

то функционирующие средства НСД не будут обнаружены на ближнем к передающему модулю участке трассы

L 1Є (0, Lволс- Lнсд),

а на оставшемся участке протяженностью Lволс - L1 их функционирование будет невозможным по причине недостаточной помехоустойчивости.

Заметим, что приближение приемника НСД на величину ДLнсд в сторону расположения передающего модуля приводит в соответствии с (3.1) и (3.3) к увеличению отношения сигнал шум на входе приемника ОТDR, что формально обязано уменьшить пороговую величину измеряемых рефлектометром потерь амин. С точки зрения помехоустойчивости ОТDR это действительно происходит. Однако в данном случае не возникает противоречий, поскольку величина измеряемого рефлектометром минимального порога потерь амин выбирается и ограничивается разработчиками ОТDR из соображении роста количества ложных тревог при низких порогах обнаружения очень малых потерь. Реальное волокно оптического кабеля на трассе ВОЛС всегда имеет многочисленные микро и макро-изгибы, являющиеся источником оптических потерь, малосущественных с точки зрения вклада в общий бюджет ВОЛС.

1. Методы контроля фрагмента среды передачи в ВОТС должен базироваться на использовании оптических рефлектометров. Показаны их преимуществе их использования при тестировании ВОЛС.

2. Методы тестирования должны включать этап обучения, анализа и идентификации оптическом волокне. В многоточечных сетях используются методы одновременного и разновременного тестирования ВОЛС.

3. Для тестирования по критерию частоты битовых ошибок целесообразно использовать ВЕР -тестеры по схеме с применением шлейфа на удаленном конце или оптические рефлектометры с использованием резервных волокон.

4. При тестировании ВОЛС целесообразно использовать метод контроля по активному волокну по организационным схемам с передачей данных на двух длинах волн, с обходом регенерационных участка или оборудования, которые выбираются в зависимости от построения ВОСП и конкретных задач контроля.

5. ВОЛС недостаточно защищены от несанкционированного доступа к ним. Основная задача рефлоктометрического мониторинга является обнаружение с локализация оптических потерь в рабочем волокне ВОЛС, вызванных ответвлениями средствами несанкционированного доступа части оптического излучение информационного потоке.

6. Для регистрации факта несанкционированного доступа необходимо чтобы вносимые средствами НСД потери превышали нормы от доли отводимой из волокна несанкционированной мощности.

Заключение

Система технической эксплуатации ЦСП СЦИ представляюшая собой совокупность методов, алгоритмов, комплексов технических средств, эксплуатационный персонала, необходимых для обслуживания и управления трактами, секциями ,каналами передачи, требует, в связи с внедрением новых технологий в ВОСП и в формируемых из них волоконно-оптических транспортных сетях (ВОТС), постоянного совершенствования. Последнее обусловливает необходимость проведения научно-методических и прикладных исследований направленных на развитие методов контроля качества функционирования ВОТС и модернизацию существующих систем мониторинга основных параметров и характеристик.

Постоянный контроль функционирования ВОСП и ВОТС, на соответствие их параметров и характеристик нормам и требованиям установленными в нормативных и технических документах, сбор и анализ информации о техническим состоянии элементов сети, ее обработка и анализ, обеспечение своевременной передачи информации о состоянии элементов ВОТС заинтересованным подразделением и службам, сбор и обработка статистических данных и анализ качества работы сети в целом и ее фрагментов являются основанными задачами и функциями системы мониторинга, которая является составной частью автоматизированной системы управления технической эксплуатации ЦСП СПИ.

В соответствие с целью и постановленными задачами в магистерской диссертации, основываясь на предварительном анализе построения ВОСП и ВОТС, проведен анализ методов мониторинга показателей качества функционирования ВОТС. Разработаны методологические аспекты построения и функционирования мониторинга ВОТС. Предложене подход к решению задачи повышения оперативности и методической достоверности непрерывного контроля линейных трактов ВОСП на основе использования систем мониторинга.

Рассмотрен метод оценки и процедура расчёта основного системного показателя качества функционирования ВОСП и ВОТС - битовых ошибок ES, SES, BBE. Исследованы методы контроля активных и пассивных элементов ВОСП и среды передачи; особенности, основные аспекты построения и функционирование мониторинга несанкционированного доступа к ВОЛС.

Проведенные в магистерской диссертации исследования позволяют сделать следующие выводы:

1. Методы мониторинга показателей качества функционирование телекоммуникации зависит от структуры построение ВОСП и волоконно-оптической транспортной сети (ВОТС), используемых при этом технологий передачи, а также от перечня контролируемых параметров.

2. Разработанные научно-методологические аспекты построения систем мониторинга (СМ) волоконно-оптических сетей телекоммуникации являются основой проводимых исследований и совершенствования системы.

3. В системе мониторинга показателей качества функционирования ВОТС должны быть учтены все основные дестабилизирующие факторы ухудшающие передачу информации в системе передачи.

4. Организация непрерывного контроля ВОЛТ должна основывается на использовании информационно - измерительных систем (ИИС)которая должна соответствовать изложенным в работе требованиям.

5. В системе мониторинга необходимо использовать вторую методику основанную на контроле и оценки ошибок канала при включенном сервисе с использованием реальной последовательности передаваемых блоков, зависящей от используемой процедур обнаружения ошибок и номинальной скорости передачи.

6. Мониторинг должен контролировать основные показател качества - битовые ошибок ES,SES,BBE и при этом использовать методы, процедуры и оценки показателей ошибок на основе BER и маски BEP

7. Метод контроля фрагментов среды передачи в ВОТС должны базироваться на использовании оптических рефлектометров.

8. Для тестирования по критерию частоты битовых ошибок целесообразно использовать ВЕР - тестеры по схеме с применением шлейфа на удаленном конце или оптические рефлектометры с использованием резервных волокон.

9. ВОЛС недостаточно защищены от несанкционированного доступа и поэтому задача рефлектометрического мониторинга является обнаружение и локализация оптических потерь в рабочем волокне ВОЛС, вызванных ответвлениями средствами несанкционированного доступа части оптического излучения информационного потока. с учётом расстояния точки подключения но отношения к передатчику и приемнику оптических сигналов в ВОСП.

Перечень выбранных в работе контролируемых параметров качества функционирования ВОТС соответствует нормативного документу У 107:2003- “Временная инструкция по организации технической эксплуатации ЦСП на магистральных и внутризоновых сетях телекоммуникации”. Показатели ошибок реальных каналов и трактов являются статическими параметрами и нормы на них задаются с соответствующей вероятностью их выполнения.

Результаты проведенных исследований методологических аспектов построения и функционирования системы мониторинга целесообразно использовать при совершенствовании существующих систем мониторинга и при создании новых.

Рекомендации.

1. Предложены методологические аспекты построения системы мониторинга целесообразно использовать при модернизации существующих систем контроля.

2. Рассмотренные особенности, принципы построения и функционирования мониторинга несанкционированного доступа к ВОЛС могут быть применены при их практической реализации.

Литература

1. Крук Б.И, Попапдонуло В.И, Шувалов В.П. Телекоммуникационных системы и сети. Том 1.Современные технологии М. Горячая линия-Телеком 2003 г, 647стр. Том 3. Мультисервисные сети.2005.г 592 стр.

2. Иванов А.Б. Волоконная оптика, компоненты, системы передачи, измерения. Компании Сайрус-систем 1999г,671стр: ил

3. Дмитриев С.А., Слепов Н.Н. Волоконно-оптическая техника 2005 г, 567стр.

4. Фриман Р. Волоконно-оптические системы связи. М. «Техносфере» 2005г, 495стр.

5. Скляров О.К. Современные волоконно-оптические системы передачи, аппаратура и элементы М. Солон Р. 2001г, 237стр.

6. Цифровые и аналоговых системы передачи (под.ред. В.И.Иванова) М.Горячая линия-телеком 2005г, 232 стр.

7. Основы построения телекоммуникационных систем и сетей (под редакцией В.Н. Гордиенко, С.И. Крухмалева) М .Горячая линия-телеком 2004г, 232 стр.

8. Метрология и электрорадиоизмерения в телекоммуникационных системах. (под.ред. В.И. Нефедова) М. Высшая школа 2005г, 536стр.

9. Справочник по телекоммуникационных технологиям. Бредон Докемар 2004г, 498стр.

10. Портнов Э.П. Принципы построения первичных сетей и оптические кабельные линии связи. М. Горячая линия-Телеком 2009г, 544 стр.

11. Гитин В.Я. Волоконно-оптические системы передачи. М. “Радио и связь” 2003г, 128стр: ил

12. Иванов А.Б. Контроль соответствия в телекоммуникациях и связи измерения, анализ, тестирование, мониторинг. М. Компания Сайрус - системс 2001г, 375стр.

13. Информационные сети: архитектура, технология, стандартизация (под.ред. Сахнина) М .”Радио и связь” 2004г,328стр.

14. Оптические системы передачи (под.ред. В.И. Иванова) М .Радио и связь 1994г, 224стр.

15. TST 45043:2002 Система обеспечения единстве измерения в сфере связи и информатизации основные положения

16. Сергеев А.Т., Латышев В.М, Терегеря В.В. Метрология, стандартизация, сертификация и технологические средств измерения. М. Высшая школа. 2002г ,525стр.

17. Крылов Г.Н. Основы стандартизации, метрологии и сертификации. М. Издательство стандартов 2005г, 497стр.

18. Сичов А.Е. Метрология и электроизмерение в телекоммуникационных системах. М. Высшая школа.2005г, 478стр.

19. Халилов М.М. и Далибеков Л.Р. Методологические аспекты построения системы мониторинга волоконно-оптических систем и сетей телекоммуникаций. Конференция аспирантов, магистров и студентов “Информационно-телекоммуникационные технология”.Т. ТУИТ. 2010г.

20. Далибеков Л.Р. и Халилов М.М. Анализ технических средств измерения характеристик и параметров ВОСП. Конференция аспирантов, магистров и студентов “Информационно-телекоммуникационные технология”.Т. ТУИТ. 2010г.

Размещено на Allbest.ru